上海交通大学物理与天文学院及李政道研究所张卫平教授团队在量子精密测量研究方面取得重要进展。该团队基于光与原子混合体系，将其发展的相关量子光学技术与传统磁力计相干融合，实现了在实际噪声环境下可应用于低频段的量子增强的原子磁场梯度计。

该项研究针对地磁和嘈杂磁场环境的挑战，突破磁场测量标准量子极限的制约，打破了国际上当前同类磁力计灵敏度的记录，有望在心磁、脑磁测量中展现量子优势，为开拓可实用的量子技术打开了新的空间。

相关研究成果近日以“Quantum Magnetic Gradiometer with Entangled Twin Light Beams”为题发表于Science子刊Science Advances上。

近年来，量子精密测量的研究与发展呈迅猛之势，特别是基于光与原子相互作用的原子磁力计，因其灵敏度高、易于小型化而备受关注。然而，环境磁场噪声、光学探测量子噪声和自旋投影噪声一直是限制原子磁力计性能提升及其应用拓展的主要瓶颈。

根据量子光学理论，光学探测量子噪声与自旋投影噪声分别取决于系统敏感磁场的光子数与原子数，二者的多少限制了磁场测量的灵敏度，即所谓的标准量子极限。目前灵敏度最高的传统原子磁力计——无自旋交换持豫（spin exchange relaxation free, SERF）磁力计，实现高灵敏度的方法是通过提升原子池的工作温度（通常在120°C）增加原子数来达到的。然而过高的工作温度限制了其在生物医疗领域等方面的应用。在室温下，原子数目较低，若想达到与SERF磁力计同样水平的灵敏度，需要突破标准量子极限的制约，这是国际上该领域科学家关注的难题。

本次发表的工作，正是通过发展量子技术突破这一制约，解决磁力计在实际应用中所存在局限性的一次重大突破。研究团队提出利用孪生光束探测的方法，将量子光场与磁场梯度计的优点巧妙结合，即抑制光场探测量子噪声也同时消除实际环境中的共模磁场噪声。

量子纠缠梯度仪的方案以及原理图

研究者将四波混频（FWM）过程中产生的双模压缩场注入基于非线性磁光旋转（nonlinear magnetic optical rotation, NMOR）的双探针磁场梯度计中，使其双探针测量产生量子关联。在实验中，观测到磁力计的噪声功率谱降低了5.5dB，是磁力计中观测到的最大量子提升；量子增强的频率从7Hz到6MHz，覆盖心磁、脑磁频率范围；梯度计的共模抑制比达到5000，满足实际应用工作需求；最终在20Hz处实现了磁场测量的最佳灵敏度为18fT/cm，是国际上首次在10Hz以内观测到磁场测量的量子增强效应。这对原子磁力计在生物医学等方向应用打开了新的空间。

国际压缩光磁力计研究进展状态

该工作受到了审稿人的高度评价，“我真正地享受了阅读这篇精心准备和书写精彩的文章，呈现了优美和新颖的工作（I really enjoyed reading this carefully prepared and well-written manuscript describing a beautiful and novel piece of work）”，并指出“大肆宣传量子压缩和量子纠缠的工作有很多，但却很少有实际应用。该工作却令人信服地实现了这样一个实例——量子增强下的原子磁场梯度计（While there is a lot of hype around squeezing and entanglement, there are very few applications of practical use. This work convincingly delivers such a case, that of atomic magnetic gradiometry）”，“作者巧妙地利用Rb-85原子池产生孪生（纠缠）光束并分别注入两个Rb-87原子池进行磁场测量，展现了可观的量子提升（The authors elegantly use a vapor cell with Rb-85 to generate twin (entangled) beams and use them for magnetometry with two separate cells of Rb-87 to show a sizable improvement in sensitivity）”。

上海交通大学物理与天文学院及李政道研究所博士后包谷之、张卫平教授与华东师范大学陈丽清教授为共同通讯作者。上海交通大学物理与天文学院博士生吴书贺为文章的第一作者。本工作获得了国家科技部、国家自然科学基金委、上海市科委与发改委、中国博士后基金项目的资助。

论文信息

Shuhe Wu et al. , Quantum magnetic gradiometer with entangled twin light beams. Sci. Adv. 9, eadg1760(2023).

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