量子傳感器承諾具有前所未有的靈敏度，可用于許多新的應(yīng)用，例如探測思想的磁場或聆聽來自暗物質(zhì)的無線電波。然而，許多量子傳感器在測量過程中會(huì)遇到嚴(yán)重降低性能的高噪聲。現(xiàn)在，一項(xiàng)新的研究揭示了一種克服這種噪音的技術(shù)，可以潛在地將這些設(shè)備的靈敏度提高一百倍。

量子技術(shù)依賴于可能出現(xiàn)的量子效應(yīng)，因?yàn)橛钪嬖谧钚〉膶用嫔峡赡茏兊梅浅Ｄ：＠纾环Q為疊加的量子效應(yīng)使原子和宇宙的其他組成部分基本上同時(shí)存在于兩個(gè)或多個(gè)地方或狀態(tài)。

眾所周知，這些量子效應(yīng)很容易受到外界干擾。然而，量子傳感器利用這一脆弱性，對環(huán)境中最輕微的干擾具有極高的靈敏度。科學(xué)家們目前正在開發(fā)量子傳感器，可以以前所未有的細(xì)節(jié)繪制隱藏在地下的特征，并以優(yōu)異的性能和成本無創(chuàng)地掃描大腦活動(dòng)。

一種常見的固態(tài)量子傳感器平臺(tái)由微小的人造金剛石組成，其中含有缺陷，其中一個(gè)碳原子被一個(gè)氮原子取代，相鄰的碳原子缺失。這些氮空位（NV）中心可以被認(rèn)為是存在于0和1兩個(gè)能級疊加中的“量子比特”。

芝加哥大學(xué)理論量子物理學(xué)家、該研究的資深作者Aashish Clerk說：“當(dāng)你使用綠色激光時(shí)，只有當(dāng)量子比特處于1態(tài)時(shí)，你才能獲得強(qiáng)紅光熒光。” 磁、電、熱和其他干擾可以改變這種響應(yīng)，使NV中心可以充當(dāng)傳感器。

然而，典型的固態(tài)量子傳感器，包括基于NV中心的傳感器，在讀出測量值時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到大量噪聲。這種檢測噪聲會(huì)大大限制其可達(dá)到的靈敏度。

現(xiàn)在，Clerk和他的同事們發(fā)現(xiàn)，量子效應(yīng)經(jīng)常被視為一種麻煩，可能有助于顯著提高這些量子傳感器的靈敏度。“我們認(rèn)為靈敏度可能會(huì)提高一到兩個(gè)數(shù)量級，”他說。

固態(tài)量子傳感器通常可能擁有數(shù)百或數(shù)千個(gè)量子比特。它們可能會(huì)在光子爆發(fā)中共同釋放能量。這種被稱為超輻射衰變的效應(yīng)會(huì)給量子傳感注入一些噪聲，因此通常是不需要的。然而，這種衰變產(chǎn)生的噪聲遠(yuǎn)小于固態(tài)量子傳感器在讀出過程中所經(jīng)歷的噪聲。

當(dāng)研究人員探索衰變過程中量子比特之間的相互作用時(shí)，“我們意識(shí)到可能會(huì)發(fā)生一些潛在有用的事情，”Clerk說。當(dāng)每一個(gè)量子比特從1衰減到0時(shí)，它會(huì)對所有其他處于疊加狀態(tài)的未衰變量子比特產(chǎn)生一點(diǎn)影響。

科學(xué)家們出乎意料地發(fā)現(xiàn)，這一擊可以放大剩余量子比特中編碼信息的可檢測性。如果研究人員只讓超輻射衰變發(fā)生一段有限的時(shí)間，那么最終可能會(huì)有一半的量子比特保持完好，同時(shí)顯著放大其中的信號。

研究人員建議，將微波或機(jī)械諧振器與NV中心量子傳感器中的量子比特耦合，可以幫助實(shí)現(xiàn)讀出前的超輻射放大步驟。這反過來會(huì)大大提高設(shè)備的靈敏度。

研究人員補(bǔ)充說，這種方法還應(yīng)與其他一些量子傳感平臺(tái)合作，例如基于鉆石中硅空位中心的平臺(tái)。“我們正在積極與實(shí)驗(yàn)小組合作，以實(shí)施我們的方案，”Clerk說。

自20世紀(jì)50年代以來，物理學(xué)家就知道超輻射。“令人驚訝和興奮的是，我們才剛剛開始了解和利用超輻射物理學(xué)的某些方面，” Clerk表示。