a 自旋集合由线性偏振离共振光探测，具有顶帽空间模式形状。相对于 x 轴的探针偏振角 α 可根据原子集体自旋的 QND 测量进行调整。b 在高极化（相干自旋）状态下制备时，原子集合可被描述为两级系统，从而表现出谐波振荡器的行为。具体来说，我们可以用有效负质量制备原子振荡器，从而产生反向自旋群。 c 源自 QBAN 和 SN 之间交叉相关的思索挤压效应可以解释为共振频率的虚拟移动。来源：《自然-通讯》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41467-023-42059-y

尼尔斯-玻尔研究所（NBI）的研究人员消除了开发基于量子技术的高灵敏度监测设备的一个关键障碍。

监测未出生婴儿的心跳和其他类型的精细医疗检查显示了量子传感器的潜力。由于这些传感器利用的是原子尺度的现象，因此其精确度远远高于当今的传感器。

哥本哈根大学尼尔斯-玻尔研究所（NBI）的研究人员成功克服了量子传感器开发过程中的一个主要障碍。他们的研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。

所有生命过程都涉及磁场和组织导电性的微小变化。量子传感器可以探测到这些极其微小的变化。然而，一个关键的挑战是如何将感兴趣的信号与各种噪声区分开来。NBI 小组正是致力于解决这一问题。

"量子传感器已成为纳米技术的首批应用之一。我们的发现使这些传感器更接近应用。我预计我们将在几年内看到第一批实际应用，"这篇科学文章的第一作者、NBI 教授尤金-波尔齐克（Eugene Polzik）说。

除了心脏异常外，还可以调查其他几种可能的异常情况。所有这些都可以在病人不受干扰的情况下进行。量子传感器还可以实现或改进许多其他检查，如大脑监测。

聆听量子世界的噪音
量子力学描述了原子、电子和光子的行为。这些粒子不仅具有特定的物理特性，还以特定的状态存在。量子传感方法首先要准备好用于读取信号的光量子状态。光量子态被发送到受探测力或场影响的探测量子系统，与之相互作用。相互作用后，光携带着被测量量的信息，可以被高精度地探测到。

"量子探针系统的工程设计必须量身定制，以适应所关注的信号。这是量子传感面临的主要挑战之一，因为很难完全消除不需要的噪声，"波尔齐克解释说。

即使消除了传统的噪声源（如房间里的电子设备等），量子力学的影响依然存在。与传统物理学不同的是，量子力学将粒子的量子态和其他属性作为概率函数，或者说不确定性。

量子噪声的一个来源是与光粒子（光子）到达探测器相关的不确定性。这就是所谓的 "射击噪声"。

此外，当光子将其动量传递到探测传感器时，相互作用本身也是量子噪声的一个来源。这就是量子反作用。

在他们的科学文章中，研究小组展示了一种 "听 "到来自量子世界的噪声的方法，从而可以去除噪声，保留真正感兴趣的信号。

未来在天体物理学中的应用
除了用于医疗检查，磁量子传感器还可能应用于其他领域。引力波探测就是一个例子。宇宙引力波最初是由爱因斯坦从理论上描述的，它的存在已被证实。

然而，由于引力波的特征相对于其他类型的宇宙信号较弱，现有的引力波监测方法需要改进。

磁量子传感器与引力波天线相结合，很可能会成为监测引力波这一挑战的答案，从而有助于加深对宇宙起源和发展的理解。

参考资料

Jun Jia et al, Acoustic frequency atomic spin oscillator in the quantum regime, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-42059-y