最新研发:“怪异”而又强大的量子纠缠传感器     DATE: 2020-07-26 18:37

许多人都知道,传感器广泛应用于我们的现代科技与社会生活中。传感器的功能犹如人类五大感觉器官,比如,如人的视觉的光敏传感器,如人的听觉的声敏传感器,如人的嗅觉的气敏传感器,如人的味觉的化学传感器,如人的触觉的流体传感器等等。按工作原理、技术、应用的不同分类,传感器可以有上百种。传感器的功能强大与否取决于其灵敏度。例如,一个体温水银温度计,每当温度上升1°C时,水银柱上升1毫米,则这个水银温度计的灵敏度为1mm/°C。

现在,东京大学先进科学技术研究中心(RCAST)的科学家们研发了一种崭新的、极度敏感、“怪异”而又强大的传感器。这一传感器无论从工作原理还是使用技术,都是前所未有的。这一传感器之所以“怪异”,是因为采用了如爱因斯坦所称的“远距离怪异作用”的量子纠缠原理。这一重大科技成果刊登在今天的《科学》期刊上。

为什么说这样的传感器是异常强大的呢?想象一下,如果有一个传感器足够的强大与灵敏,可以远远地稍稍扫描一下,可以告诉你在一个巨大的干草丛堆中何处藏有一根针。你可能觉得不可思议,这似乎只可能存在于科幻小说与电影之中。

但是,利用量子力学的最违反直觉的纠缠效应,科学家们能够将这种灵敏度水平变成现实。许多人知道,量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的奇异现象,它允许相联的粒子在很长的距离内立即相互作用,所以被爱因斯坦称为“远距离的怪异作用”。

科学家们是如何研发出这样的传感器的呢?实验已经证实,量子力学允许这样的情况,即系统的各个部分不再可以单独描述,而从根本上变得纠缠在一起,因此对一个部分的测量会自动确定另一个部分的命运。例如,两个电子发生纠缠,测量一个会影响另一个电子的状态。科学家们认知到此量子纠缠原理已经数十年了,但研发出基于纠缠的、非常灵敏的探测器才刚刚开始。

研究团队在进行的实验中,将一小块一毫米大小的钇铁石榴石球体与超导约瑟夫森结量子位放置在同一谐振腔中作为传感器。钇铁石榴石是一种合成石榴石,是一种亚铁磁性材料。石榴石是一组在青铜时代就已经使用为宝石及研磨料的硅酸盐矿物。

约瑟夫森结由二个互相微弱连接的超导体组成。约瑟夫森效应是宏观量子效应的一种体现。它以英国物理学家布赖恩·约瑟夫森命名,这位物理学家在1962年提出了弱连结上的电流与电压关系式。约瑟夫森结在量子线路当中有许多重要的应用,例如超导量子干涉仪、超导量子计算以及快速单磁通量子数字电子设备等。电压1伏特的标准是由19,000个串连的约瑟夫森结阵列所构成。

研究人员将钇铁石榴石的微小球体耦合到谐振腔,进而又耦合到腔体和量子位之间,因此如果球中不存在磁激发,则只能通过电磁脉冲来激发量子位。然后,读取量子位的状态即可揭示球体的状态。

这样,只需通过使用单次的一次性检测而不是通常所采用的平均值,就可以既灵敏又快速地检测与传感信号信息。如此利用量子纠缠的传感器可以确定在毫米大小的球体中是否存在单个磁激发,这使科学家们更接近物理定律下可能的磁检测极限。

这种通过奇异的量子纠缠力将小磁球与传感耦合的方法,代表了可以与磁性材料相互作用的量子系统的重大进展。这项研发为功能极其强大的传感器开辟了道路,将有利于进一步地探测不仅宏观世界而且微观世界。比如,研究人员认为,这一功能极其强大的传感器可以帮助寻找理论上称为轴子的暗物质粒子。

轴子(axion)是一种设想的亚原子粒子,是1970年代为了解决CP守恒问题所提出的一个假想粒子,目前科学家们正在努力不停地寻找它。CP守恒问题,又称CP不守恒,在宇宙学中它对解释今天宇宙中为什么物质的数量超过反物质的数量的观点,具有极其重要的意义。

这种量子感测方法基于将一个受良好控制的传感系统缠结到感兴趣的系统中,以检测后者中的激发量子;将超导量子比特与亚铁磁性晶体纠缠在一起,使用超导量子位作为量子传感器,将对量子传感以及混合量子系统组件很有用,将在量子技术与社会生活领域中中具有广泛的应用前景。

参考论文:“具有超导量子比特的单磁振子的基于纠缠的一次性检测”登载刊物:《科学》杂志,2020年1月24日DOI:10.1126 / science.aaz9236量子认知 | 量子科学与认知科学领域的最新研究成果介绍,敬请关注。