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聚焦之江实验室最新动态及媒体关注热点。

来源: 量子传感研究中心  发布日期:2021-01-06
量子传感研究中心
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之江实验室在量子传感合作研究中取得重要进展

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之江实验室博士后研究员俞上


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空间对称与时间反演


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(a)宇称-时间增强型量子传感器工作原理图;(b)量子传感器实验结构图


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在宇称-时间对称未破缺(a)和破缺(b)情况下,量子传感器相比于经典传感器灵敏度的增强情况。

黑色圆圈和红色线条分别代表实验结果和理论值。蓝色虚线代表实验的数值模拟结果,浅蓝色区域为数值模拟得到的误差范围



近日,之江实验室博士后研究员俞上等人与中国科学技术大学合作,在基于宇称-时间对称的量子传感器研究中取得重大成果,并以“Experimental Investigation of Quantum -Enhanced Sensor”为题,在国际知名期刊《物理评论快报》(Physics Review Letters)上发表文章。

空间和时间是人类文明中最古老的概念之一。在我国古代就有“上下四方曰宇,往古来今曰宙”之说,这其中所说的“宇”和“宙”便指的是空间和时间。在物理世界中,宇称-时间对称系统所表示的就是这样一类满足经“空间对称”和“时间反演”而保持性质和特征不变的物理系统。

近年来,这种满足宇称-时间对称的系统将量子力学扩展到了一个更为复杂的领域。在此次发布的研究成果中,俞上和研究组成员在光子系统中利用弱测量方法构造了一个量子宇称-时间对称系统。这套方法可以利用弱值直接测量包括实部和虚部在内的全部宇称-时间对称系统能谱,并可以有效地从系统的非破缺区域过渡到破缺区域。基于这样的接近破缺区域的能力,该研究组首次构造了一种全量子的宇称-时间增强型传感器,并研究了其中与提高灵敏度的最佳条件相关的各种特性。

实验结果表明,将宇称-时间对称系统的工作条件设置在奇异点(区分宇称-时间对称系统破缺与非破缺区域的零界点),这种量子传感器的灵敏度相较于传统的厄米传感器可以提高8.86倍。同时,通过分别检测能量分裂的实部和虚部,还可以判定扰动的方向。除了光子系统之外,其他量子系统,比如一些单自旋系统,也可以用来构建量子宇称-时间对称系统,并构建量子传感器。这些传感器与传统的工作在奇异点的传感器相比,通常尺寸较小,因此,它们可以用于检测单个或少数原子水平上的局部物理量,如单个分子的磁场。所以这项工作将为这种高灵敏度量子传感器的设计提供指导。此外,基于我们实验的量子性质,可以在宇称-时间对称增强型传感器中引入纠缠或其他量子资源,这将有助于进一步提高该种传感器的性能,特别是灵敏度。

审稿人对该工作给予了高度评价:“The experiment is very interesting and highly relevant. A very high impact to the field of non-Hermitian physics and PT-symmetry can be expected。This is a major step forward since a true quantum sensor operated at an EP is shown to work. This is definitely of broad interest。”(这是一个非常有趣且有意义的实验,对非厄米物理和宇称-时间对称性领域有着非常大的影响。这是一个重大的进步,因为这个工作证实了一个工作在破缺点的真正量子传感器是可以实现的。这无疑会引起大家广泛的兴趣。)

之江实验室量子传感中心研究员翟跃阳表示,这项工作对量子传感中心的建设和发展有着积极的意义,“未来我们打算在基于SERF的原子惯性测量装置中实现这种宇称-时间对称系统的模拟,希望该方法能提升目前的灵敏度指标,并将该套系统运用于极弱磁场、惯性等的超高灵敏度探测当中,进一步为惯性导航、电偶极矩EDM测量等的研发提供有力支撑。”

之江实验室量子传感研究中心博士后研究员俞上为该研究成果的第一作者。中国科学技术大学李传锋教授和唐建顺教授为该项成果的通讯作者。

 

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.240506



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