365·体育(中国)手机版入口-最新版App Store下载

近日，365体育手机版app下载量子精密测量研究中心（以下简称：量子中心）与中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、华南理工大学等科研院所合作，基于单离子的量子探针技术，在离子阱芯片实验平台上精确探测到了体系的本底噪声，并在时域和频域分别复现了从mHz到MHz频段的微弱交变电场信号，展现出类似示波器和频谱仪的效果，研究成果发表在国际应用物理的权威期刊《物理评论应用》上。

囚禁于电势阱中被激光冷却的离子被认为是有希望精确测量电场变化的量子传感器，因为离子本身是带电的粒子，而处于量子状态时对电场的波动异常敏感，这为高精度和高灵敏度地探测电场的起伏提供了前所未有的可能性。这种单离子的量子探针不仅可以用来检测系统的电场噪声，也能对微尺度的表面形态、摩擦力和能量涨落做精密测量。

在本项工作中，量子中心研究团队展示了一种使用单离子量子探针来精密检测微弱交变电信号的实用技术。研究人员首先通过精巧的操作，让离子进入相干振动的状态（专业术语为“声子激光态”），可以由此观测到体系自身的本底噪声的变化。基于对本底噪声的分辨，研究人员输入各类微弱的交变电信号，在时域和频域上分别解读这个离子自发辐射的光信号所带信息。结果显示，当高于0.1Hz的交变电场信号输入系统时，该量子探针像频谱仪一样能准确地给出外加交变电场的频率，精度为±0.1Hz；当低于0.1Hz的交变电场信号输入系统时，该量子探针像示波器一样能准确地给出外加交变电场的波形，再通过傅里叶变换，即可复现该交变电场信号的频率。这种量子探针的高精度探测依赖于离子的声子激光状态，在这种状态下，探测的谱密度可以达到 10^-9 V²/m²Hz 的量级，其对应的电场力的探测灵敏度为 10^-24 N/Hz^1/2量级。尤其值得一提的是，完成该探测不需要对⁴⁰Ca⁺离子进行边带冷却，而是基于其光学探测的灵敏性，因而易于在囚禁离子系统中实现。通过进一步降低囚禁离子的宏运动频率或提高自发辐射荧光收集效率，有望将这种量子探针的性能再提高2个数量级。

近年来，随着量子技术的迅猛发展，噪声问题已经成为一个关键挑战。在离子阱中，电场涨落是一种典型的噪声，它导致囚禁势场的不稳定和量子相干性的消失。因此，量子中心所展现的这项技术有助于理解和抑制噪声，比如可作为诊断离子阱系统中背景噪声的常规手段。另外，实验测量所表征出的电信号脉冲对于设计合理的实验方案非常重要。由此，该项技术可以用于检测外加脉冲的指标，优化脉冲形状；该技术也为发展原子尺度的示波器和频谱仪迈出了可喜的一步。

该研究得到广东省重点领域研发计划重大专项项目“精密探测金属表面噪声和环境磁场的囚禁离子探针的实验探究”、科技部国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目和中国博士后基金的资助。

图一：实验原理图。(a) 展示了实验所用芯片离子阱的电极结构及外加信号的输入方式，图中抛物线为芯片离子阱电极产生的囚禁势场，右上角为⁴⁰Ca⁺离子能级图；(b) 展示了实验中两种检测外加信号的原理图。

图二：单离子示波器。 (a) 方波信号输入时，在时域上测得的噪声和复现的信号；(b) 正弦波信号输入时，在时域上测得的噪声和复现的信号。红线和蓝线分别为从离子的振幅和相位上测得的值 dz₀ 和 dφ。

图三：单离子频谱仪。正弦波信号输入时，在频域所复现的信号。上图和下图分别为从离子的振幅和相位上测得的值。RSI 表示相对信号强度。

（论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.064062）