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美军研制出首款覆盖全无线电频谱量子传感器


  来源: 仪商网 时间:2020-03-27 编辑:清风
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据物理学家组织网19日报道,美国陆军研究人员称,他们研制出了一款新型量子传感器,可以帮助士兵探测整个无线电频谱——从0到100吉赫兹(GHz)的通信信号。

美国陆军作战能力发展司令部下属陆军实验室的科学家戴维·迈耶解释说,2018年,陆军科学家研制出全球首款使用高激发态、超灵敏原子(里德堡原子)探测通信信号的量子接收器。在最新研究中,他们根据基本原理计算出接收器的信道容量(数据传输速率),然后在实验中将其他研究团队的结果提高了几个数量级。

迈耶说:“新传感器非常小巧,几乎无法被其他设备探测到,有望让士兵们如虎添翼。科学家最近才开始考虑将基于里德堡原子的传感器应用于电场传感领域,包括用作通信接收器。尽管里德堡原子拥有广谱灵敏度,但科学家迄今从未对整个运行波段的灵敏度进行定量描述。”

为评估潜在应用,陆军科学家分析了从0到10的12次方赫兹的巨大频谱范围内,新款里德堡传感器对振荡电场的灵敏度。结果表明,里德堡传感器可靠地探测到整个频谱段的信号。在传统接收器系统中,单根天线无法覆盖如此宽的频谱范围,要做到这一点,可能需要单根天线、放大器和其他组件协同作战。而且,新量子传感器的灵敏度可与其他电场传感器技术——如电光晶体和偶极天线耦合的无源电子设备等相媲美。

迈耶说:“量子力学使我们能清晰地了解传感器的校准和最终性能,而且,每个传感器的校准和性能都相同,有助于士兵们在野外使用这一系统。”

陆军科学家计划进一步锤炼最新技术,提高这款量子传感器的灵敏度,使其能探测到更弱的信号,并扩展用于探测更复杂波形的协议。(科技日报 记者刘霞)


中国科大利用单自旋量子传感器对新奇自旋相互作用做出新实验限定

中国科学院院士、中国科学技术大学教授杜江峰领导的中科院微观磁共振重点实验室利用单自旋量子传感器,对超越标准模型自旋为1的轴矢量玻色子在微米尺度给出新的实验限定,该结果相比针对这种相互作用的原有国际最好水平在力程500微米处提升50倍左右。该成果以Constraints on a Spin-Dependent Exotic Interaction between Electrons with Single Electron Spin Quantum Sensors为题,发表在8月22日的《物理评论快报》[Phys.Rev.Lett.121,080402(2018)]上。

诺贝尔奖得主Wilczek在1984年提出轴子或类轴子可能诱导新奇自旋相互作用,因此提出在实验室搜寻这种宏观尺度相互作用的可能。2006年Dobrescu和Mocioiu将这种新奇自旋相互作用扩展到传播子为一般玻色子的情形,列举出16种新奇自旋相互作用的形式。近年来,有很多物理实验对这16种新奇自旋相互作用展开研究并给出实验限定。杜江峰团队2018年初在国际上首次提出可以将金刚石氮-空位色心(NV色心)单电子自旋量子传感器用于搜寻电子与核之间的新奇自旋相互作用,并将实验搜寻的力程拓展到亚微米尺度[Nature Communications 9,739(2018)]。

在该工作中,杜江峰团队利用NV色心单电子自旋量子传感器,对自旋为1的轴矢量玻色子诱导的极化电子之间的相互作用展开研究。研究人员首先发展了基于NV色心的极化电子自旋信号测量技术[Phys.Rev.Applied 9,064003(2018)],成功探测到激光极化后的并五苯样品产生的极化电子自旋信号。然后利用不同深度的NV色心测量极化电子自旋信号,并将实验数据与标准模型以内的磁偶极相互作用比较分析。研究人员在其有效力程范围未发现新粒子存在的证据,这为极化的电子-电子相互作用的探索提供了新的实验观测约束。

中科院微观磁共振重点实验室研究员荣星是文章的第一作者。该项研究得到国家自然科学基金委、中科院、科技部和安徽省的资助。(中国科学技术大学


我国学者成功研制用于搜寻新粒子的单自旋量子传感器

寻找粒子物理标准模型之外的新粒子,对物理新探索非常重要。记者从中国科学技术大学获悉,该校杜江峰院士团队近期成功研制出用于搜寻“类轴子粒子”的单电子自旋量子传感器,将搜寻的力程拓展到亚微米尺度。国际权威学术期刊《自然·通讯》日前发表了该成果。

新粒子的发现,可用于填补当前粒子物理学、天体物理和宇宙学等方面的理论缺陷,例如粒子质量等级问题、强CP疑难、正反物质不对称性以及暗物质和暗能量的物理本质。


近年来,国际学界发展了一系列精巧的实验装置,在20微米以上的力程范围内开展了电子与核子相互作用的搜寻。但要在更短的力程范围内开展实验研究,则面临一系列挑战:如何构筑一个尺寸足够小的传感器?如何设计传感器的几何形状从而允许电子和核子充分接近?如何提升传感器的灵敏度,从而给出有意义的限定?如何有效隔离好环境噪声,尤其是不可避免的电磁噪声?

关键词:量子传感器 探测 通信信号    浏览量:405

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