近日，中國科學技術(shù)大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室彭新華研究組在自旋量子精密測量領(lǐng)域取得重要進展，首次提出和驗證了Floquet自旋量子放大技術(shù)。

前述技術(shù)克服了以往只在單個頻率處量子放大的局限性，實現(xiàn)了多頻段極弱磁場信號的量子放大，靈敏度達到了飛特斯拉（簡寫fT，即10的負十五次方特斯拉）水平。相關(guān)成果在線發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)，并被選為“編輯推薦”文章。

圖片來自《物理評論快報》(Physical Review Letters)

隨著量子力學基礎(chǔ)研究和科學技術(shù)的發(fā)展，通過原子、分子、自旋等物理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)微弱信號的量子增強放大。相比于基于經(jīng)典電路的傳統(tǒng)放大技術(shù)，量子增強放大受限于更低的量子噪聲且具有更高的放大增益，為提升測量精度提供了強有力的研究手段，因此受到廣泛關(guān)注和研究。

目前，量子放大技術(shù)已經(jīng)在諸多測量過程發(fā)揮不可替代的作用，催生出許多革命性成果。例如，微波激射器、激光器、原子鐘，甚至宇宙微波背景輻射的首次發(fā)現(xiàn)等，諾貝爾物理學獎也曾多次授予相關(guān)領(lǐng)域。然而目前對量子放大精密測量技術(shù)的探索仍然有限，實現(xiàn)信號放大主要依賴于量子系統(tǒng)固有的離散能級躍。由于可調(diào)諧性的限制，量子系統(tǒng)固有離散躍遷頻率往往無法滿足放大需要的工作頻率，因此限制了量子放大器的性能，如工作帶寬、頻率和增益等。

如果能夠克服前述困難，量子放大技術(shù)的性能將得到很大改善，對探測極弱電磁波和奇異粒子等基礎(chǔ)物理和實際應(yīng)用具有重要意義。

因此，研究人員提出了Floquet自旋量子放大技術(shù)，成功克服了以往探測頻率范圍小等限制，實現(xiàn)了對多個頻率的極弱磁場放大。這項技術(shù)得益于該組之前提出的“自旋放大技術(shù)”和“Floquet調(diào)制技術(shù)”，將二者有機結(jié)合，從而將量子放大技術(shù)推廣到Floquet自旋系統(tǒng)。

據(jù)悉，F(xiàn)loquet物理在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域已有悠久歷史，主要著眼于時域周期調(diào)制下新奇的非平衡物質(zhì)態(tài)（如時間晶體）。

圖1：(a)Floquet能級；(b)Flqouet量子自旋放大器原理圖，圖片來自中科大

在前述研究中，團隊利用Floquet調(diào)制技術(shù)調(diào)控自旋的能級與量子態(tài)，將固有的二能級系統(tǒng)修飾為周期性驅(qū)動Floquet系統(tǒng)，從而具有很多獨特性質(zhì)，使得系統(tǒng)形成了一系列等能量間距分布的Floquet能級結(jié)構(gòu)，在這些能級之間可以發(fā)生共振躍遷（如圖1），因此有效拓寬了磁場放大的頻率范圍。

圖2：磁探測靈敏度，圖片來自中科大

通過理論計算和實驗研究，中科大團隊首次展示了Floquet系統(tǒng)可以實現(xiàn)多個頻率待測磁場2個數(shù)量級的同時量子放大，測量靈敏度達到了飛特斯拉級級別。同時，首次將量子放大技術(shù)擴展到Floquet自旋系統(tǒng)，有望進一步推廣到其他量子放大器，實現(xiàn)全新的“Floquet量子放大器”。