哥本哈根大學尼爾斯-玻爾研究所（NBI）的一項新研究有望解決超靈敏量子傳感器開發中的關鍵障礙。

實驗設置示意圖

量子傳感器在監測胎兒心跳以及其它精密醫療檢查方面展示了巨大的潛力。這類傳感器利用了原子尺度上的現象，因此它們的精度比當今的傳統傳感器高得多。

哥本哈根大學NBI的研究人員成功克服了量子傳感器開發中的一個主要障礙，這項研究成果已發表于Nature Communications期刊。

所有的生命過程都涉及磁場和組織電導率的微小變化。量子傳感器能夠檢測到這些極細微的變化。然而，其關鍵挑戰之一，是將所需要的信號與各種類型的噪聲區分開來。NBI研究小組正致力于解決這個問題的研究。

該論文通訊作者、NBI的Eugene Polzik教授表示：“量子傳感器已成為納米技術的首批應用之一。我們的發現使這類傳感器向現實應用更進一步。預計幾年后我們將看到第一批實際應用。”

除了心臟異常，量子傳感器還可以檢測其他幾種可能的生理異常。并且，所有檢測都不會對病人的休息造成干擾。例如大腦監測等，都可以通過量子傳感器實現或改進。

監聽來自量子世界的噪音

原子、電子和光子的行為可由量子力學來描述。這些粒子不僅具有給定的物理性質，而且以一定的狀態存在。量子傳感方法從準備用于讀取信號的光的量子態開始。對于想要檢測的力或場，光的量子態被發送到受它們影響的探針量子系統進行相互作用。經過相互作用，光攜帶了被測量的信息，然后進行高精度地檢測。

Eugene Polzik教授解釋稱：“量子探針系統的設計需要量身定制，以適配需要檢測的信號。這是量子傳感的主要挑戰之一，因為很難完全消除不必要的噪聲。”

即使消除了傳統噪聲源（如房間里的電子設備等），量子力學的影響仍將存在。與傳統物理學不同，量子力學以概率函數或不確定性關系給出粒子的量子態及其他特性。

量子噪聲的來源之一，是與光粒子（光子）到達探測器相關的不確定性，這被稱為散粒噪聲。

此外，當光子將其動量轉移到探針傳感器時，相互作用本身也是量子噪聲的來源，這被稱為量子反作用。

該團隊展示了一種“聽到”量子世界噪音的方法，進而將其去除，保留真正需要的信號。

研究人員通過實驗證明了宏觀原子自旋振蕩器在聲頻范圍內的量子行為。在低至亞kHz范圍的振蕩頻率下，觀察到了自旋測量的量子反作用、光的有質運動壓縮和虛擬彈簧軟化。識別了工作在近直流頻率范圍內的自旋振蕩器的量子噪聲源特性，并提出了降低量子噪聲的方法。

具有正負有效質量的原子振蕩器

天體物理學的未來應用

除了醫學檢查，磁量子傳感器還有望應用于其他領域。例如，引力波探測。最早由愛因斯坦在理論上給出了推測，現在，宇宙引力波的存在已經得到了證實。

然而，由于引力波的特征與其他類型的宇宙信號相比較弱，因此，現有引力波監測方法仍需改進。

磁量子傳感器結合引力波天線，有望給出應對引力波監測挑戰的答案，從而有助于更深入地了解宇宙的起源和發展。

審核編輯：彭菁