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摘要 CERN機構(gòu)的大型強子對撞機是世界上最大最強的粒子加速器人類生活在一個噪雜的世界中，光、振動、電磁輻射和聲音等各種干擾都會令人
CERN機構(gòu)的大型強子對撞機是世界上最大最強的粒子加速器
人類生活在一個噪雜的世界中，光、振動、電磁輻射和聲音等各種干擾都會令人頭疼不已；這種干擾會影響我們的睡眠，甚至對電子設備也會產(chǎn)生不良影響。
對于研究微型和長距的物理學家來說，噪聲就特別的“致命”，它直接影響著研究項目的成敗。為降低噪聲，往往需要大型昂貴的設備和解決方案。為了觀察希格斯波色子中的微小信號，科學家們需要構(gòu)建世界上最大的粒子加速器；為了觀察引力波，科學家們需要構(gòu)建世界上最長最敏感的尺子；而要觀察最遙遠的星系，則要向太空發(fā)射望遠鏡并避免來自大氣噪聲的干擾。
而最新一期的Nature Physics上的一篇研究則避免了這種規(guī)模宏大的解決方案。墨爾本大學的一個研究團隊研發(fā)出了一種利用量子傳感器旋轉(zhuǎn)的技術(shù)，實現(xiàn)了對噪聲的降低。
量子傳感器具有高度敏感性，在磁共振成像（MRI）技術(shù)領(lǐng)域可以實現(xiàn)細胞和蛋白質(zhì)內(nèi)微小結(jié)構(gòu)的成像與觀測。
一種最具應用前景的量子傳感器是金剛石中的氮空位中心（NV中心）。NV中心是一種原子缺陷，一個氮原子替代了一個碳原子，從而是電子處于一種量子態(tài)。
研究的第一作者、墨爾本大學物理系的Alexander Wood教授介紹到：一個電子實際上就是一個條形磁鐵，有南北磁極之分。如果我們將一個電子放在磁場中，它就會快速旋轉(zhuǎn)起來。
但金剛石的NV中心里面的電子則不是唯一的磁體。金剛石中有兩種類型的碳，多數(shù)為碳12。每100個碳原子中就有1個碳13，它有一個額外的中子。
每個碳13的中子和電子一樣，都類似一個條形磁鐵。如果將其放入磁場內(nèi)，它就會旋轉(zhuǎn)起來。
量子態(tài)依賴一種相干性的屬性，相干性對環(huán)境中的噪聲特別敏感，任何噪聲都會引起量子態(tài)的損失；而保持量子態(tài)則比較困難。
而最新一期的Nature Physics上的一篇研究則避免了這種規(guī)模宏大的解決方案。墨爾本大學的一個研究團隊研發(fā)出了一種利用量子傳感器旋轉(zhuǎn)的技術(shù)，實現(xiàn)了對噪聲的降低。
量子傳感器具有高度敏感性，在磁共振成像（MRI）技術(shù)領(lǐng)域可以實現(xiàn)細胞和蛋白質(zhì)內(nèi)微小結(jié)構(gòu)的成像與觀測。
一種最具應用前景的量子傳感器是金剛石中的氮空位中心（NV中心）。NV中心是一種原子缺陷，一個氮原子替代了一個碳原子，從而是電子處于一種量子態(tài)。
研究的第一作者、墨爾本大學物理系的Alexander Wood教授介紹到：一個電子實際上就是一個條形磁鐵，有南北磁極之分。如果我們將一個電子放在磁場中，它就會快速旋轉(zhuǎn)起來。
但金剛石的NV中心里面的電子則不是唯一的磁體。金剛石中有兩種類型的碳，多數(shù)為碳12。每100個碳原子中就有1個碳13，它有一個額外的中子。
每個碳13的中子和電子一樣，都類似一個條形磁鐵。如果將其放入磁場內(nèi)，它就會旋轉(zhuǎn)起來。
量子態(tài)依賴一種相干性的屬性，相干性對環(huán)境中的噪聲特別敏感，任何噪聲都會引起量子態(tài)的損失；而保持量子態(tài)則比較困難。
研究人員將金剛石量子傳感器（NV中心，藍色）固定在一個旋轉(zhuǎn)軸上。圖中網(wǎng)格圖案表示金剛石的原子結(jié)構(gòu)。金剛石大多為非磁體碳14，但也包含一少部分磁體碳13。綠色光束用來創(chuàng)建并讀取量子態(tài)。
量子態(tài)非常的脆弱，特別是在磁場中一旦有任何波動，量子傳感器就會發(fā)生相位偏移。鑒于此，要想利用NV系統(tǒng)作為納米環(huán)境的量子傳感器，就必須保持量子態(tài)的穩(wěn)定。
墨爾本大學量子傳感器研究項目的教授Hollenberg將量子態(tài)比作氣泡。“如果周圍環(huán)境是‘多刺’的，那么量子態(tài)就不會持續(xù)太久；如果周圍環(huán)境是‘少刺’的，那么量子態(tài)就會持續(xù)很久”。這就是微型尺寸和高度敏感性條件下 對NV中心周圍的環(huán)境進行傳感的基本原理。
團隊通過對整個設備系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)來降低相位偏移帶來的影響。碳13原子的旋轉(zhuǎn)會造成磁場環(huán)境的不穩(wěn)定，它們會和NV中心相互作用，從而影響相干性和傳感能力。
降低來自碳13的噪聲可以增強量子傳感器的敏感性，從而探索更為微觀的世界現(xiàn)象。
利用合成同位素純碳12金剛石或者阻止碳13原子的自旋就可以實現(xiàn)這一點。而阻止碳13原子自旋時會產(chǎn)生一個問題，即NV中心的電子自旋也會被阻止；而這種電子自旋對于量子傳感器是至關(guān)重要的一步。
因此，為降低碳13的噪聲，就需要誘使NV中心認為碳13的原子條形磁鐵已經(jīng)停止。為做到這一點，實驗室的Robert Scholten教授采用了經(jīng)典無力技術(shù)，讓整個金剛石都高速旋轉(zhuǎn)起來。
通常所用的磁場中，NV中心的原子條形磁鐵每秒鐘旋轉(zhuǎn)28億次，而碳13每秒鐘則旋轉(zhuǎn)5000次。由于金剛石旋轉(zhuǎn)的非?？欤敯呀饎偸俣日{(diào)整為每秒5000次時，NV中心的原子條形磁鐵就不會受到影響。
墨爾本大學量子傳感器研究項目的教授Hollenberg將量子態(tài)比作氣泡。“如果周圍環(huán)境是‘多刺’的，那么量子態(tài)就不會持續(xù)太久；如果周圍環(huán)境是‘少刺’的，那么量子態(tài)就會持續(xù)很久”。這就是微型尺寸和高度敏感性條件下 對NV中心周圍的環(huán)境進行傳感的基本原理。
團隊通過對整個設備系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)來降低相位偏移帶來的影響。碳13原子的旋轉(zhuǎn)會造成磁場環(huán)境的不穩(wěn)定，它們會和NV中心相互作用，從而影響相干性和傳感能力。
降低來自碳13的噪聲可以增強量子傳感器的敏感性，從而探索更為微觀的世界現(xiàn)象。
利用合成同位素純碳12金剛石或者阻止碳13原子的自旋就可以實現(xiàn)這一點。而阻止碳13原子自旋時會產(chǎn)生一個問題，即NV中心的電子自旋也會被阻止；而這種電子自旋對于量子傳感器是至關(guān)重要的一步。
因此，為降低碳13的噪聲，就需要誘使NV中心認為碳13的原子條形磁鐵已經(jīng)停止。為做到這一點，實驗室的Robert Scholten教授采用了經(jīng)典無力技術(shù)，讓整個金剛石都高速旋轉(zhuǎn)起來。
通常所用的磁場中，NV中心的原子條形磁鐵每秒鐘旋轉(zhuǎn)28億次，而碳13每秒鐘則旋轉(zhuǎn)5000次。由于金剛石旋轉(zhuǎn)的非?？欤敯呀饎偸俣日{(diào)整為每秒5000次時，NV中心的原子條形磁鐵就不會受到影響。
如果金剛石和碳13以同樣的方向旋轉(zhuǎn)，那么量子傳感器就能感知到一個較慢的自旋（且偽磁場較?。?；而金剛石以相反方向旋轉(zhuǎn)時（圖中紫色所示），量子傳感器能感知到一個較快的自旋（且偽磁場較大）
此情況下碳13原子受到了影響。且由于NV中心和碳13都處于統(tǒng)一標準框架內(nèi)，也即同樣方向以每秒鐘5000次速度旋轉(zhuǎn)，這就意味著NV中心和碳13是相對靜止的。
將傳感器和碳13置于同樣的旋轉(zhuǎn)幀，就可以有效地將傳感器所感知到的磁場從碳13中有效的去除掉。
副教授Martin介紹道：“我們現(xiàn)在的實驗環(huán)境就是當你不進行旋轉(zhuǎn)的時候，環(huán)境就顯得‘多次’；而當你旋轉(zhuǎn)的時候，環(huán)境就顯得‘少刺’；這就增加了量子態(tài)的壽命。”
據(jù)此可以推斷，當金剛石以接近碳13原子的旋轉(zhuǎn)速度時，就可以得到完美的量子精度。但研究人員在實際實驗中發(fā)現(xiàn)并非如此。
“我們倒是很期望傳感器的量子性能夠一直持續(xù)上漲，直至碳13的自旋在旋轉(zhuǎn)幀中被凍結(jié)。但但我們接近凍結(jié)幀時，相干性開始出現(xiàn)下降；這主要是由于碳13原子開始相互反應的緣故，給系統(tǒng)增加了額外的噪聲。”Wood教授解釋道。 （編譯：中國超硬材料網(wǎng)）
將傳感器和碳13置于同樣的旋轉(zhuǎn)幀，就可以有效地將傳感器所感知到的磁場從碳13中有效的去除掉。
副教授Martin介紹道：“我們現(xiàn)在的實驗環(huán)境就是當你不進行旋轉(zhuǎn)的時候，環(huán)境就顯得‘多次’；而當你旋轉(zhuǎn)的時候，環(huán)境就顯得‘少刺’；這就增加了量子態(tài)的壽命。”
據(jù)此可以推斷，當金剛石以接近碳13原子的旋轉(zhuǎn)速度時，就可以得到完美的量子精度。但研究人員在實際實驗中發(fā)現(xiàn)并非如此。
“我們倒是很期望傳感器的量子性能夠一直持續(xù)上漲，直至碳13的自旋在旋轉(zhuǎn)幀中被凍結(jié)。但但我們接近凍結(jié)幀時，相干性開始出現(xiàn)下降；這主要是由于碳13原子開始相互反應的緣故，給系統(tǒng)增加了額外的噪聲。”Wood教授解釋道。 （編譯：中國超硬材料網(wǎng)）
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