从探测引力波到医学成像—— 混合量子系统实现超精密传感

丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所团队开发出新型可调量子传感技术——一种混合量子系统，能帮多种技术实现更高精度的测量。其应用前景广阔，从探测宇宙中的引力波、监测环境，到生物医学诊断和成像。该突破性成果标志着量子传感技术迈入新阶段，为医疗、天文、信息等多领域的技术革新提供了坚实支撑。研究成果发表于最新一期《自然》杂志上。

近年来，随着量子光学发展，传感器的灵敏度正不断逼近一个被称为“标准量子极限”的理论边界——由于在微观尺度进行测量时，不可避免地受到量子噪声干扰所造成的限制。要突破这一极限，必须引入先进的量子技术来抑制这些噪声。利用量子纠缠等非经典物理现象，可以有效突破这些传统限制。

此次的新系统首次实现了大规模纠缠，涉及多光子态与大型原子自旋系统之间的相互作用。这种独特的技术组合，使系统能够实现“频率相关压缩”，从而动态降低宽频带范围内的量子噪声。这对于需要高灵敏度的引力波探测以及其他精密传感技术至关重要。

具体而言，团队利用了两种关键技术：“压缩光”是一种将量子噪声压缩至标准量子极限以下的特殊光态，通常可以降低光的振幅或相位噪声；而“负质量”自旋系统由大量原子自旋组成，具备将噪声符号从正转负的能力。当传感器信号与该系统结合后，能有效抑制量子噪声。

传统方法要实现压缩和噪声抑制，往往依赖庞大的光学装置。例如，LIGO和VIRGO引力波探测器就使用了长达300米的光学谐振腔。而新系统可在桌面级设备上实现类似性能，显著提升了其实用性和部署灵活性。

在生物医学方面，该混合量子系统可提高磁共振成像的空间分辨率，助力神经退行性疾病的早期诊断；在天文学领域，有助于增强引力波探测器对时空涟漪的捕捉能力，推进黑洞碰撞、中子星合并等宇宙事件研究；在基础物理学方面，则有助于加深对宇宙起源和演化的理解。此外，该系统还可应用于量子通信和计算，支持量子中继器、长距离安全通信和量子网络中的存储单元发展。

若本文收录的图片文字侵犯了您的权益，请邮件联系我们，我们将在24小时内予以删除。