全球首个基于核自旋量子传感系统

中国科学技术大学自旋磁共振实验室里,彭新华教授和江敏教授带着团队搞了个大动静,在合肥和杭州两地分别部署了五台超高灵敏度的传感器,硬是把卫星授时的精度控制到了纳秒级别。他们凑成了一个空间跨度几百公里的分布式网络,这就是全球首个基于核自旋的量子传感系统。这个网络刚一投入使用,就把对暗物质的探测灵敏度提升了好几倍,甚至在部分轴子质量区间超越了传统天文观测。中国占据宇宙总质能约26.8%的暗物质虽然无处不在,但它几乎不和普通物质起反应,直接找它一直是个难题。轴子这种被理论预言的轻粒子是热门候选者,当地球穿过它可能形成的“暗物质墙”时,原子核会产生极微弱的信号。 为了抓这些转瞬即逝的信号,研究团队在技术上做了两件事:一是把原子核自旋的相干时间延长到接近一分钟;二是开发了放大近百倍的量子放大技术。他们把这五台传感器安在合肥和浙江杭州的实验室里,通过比对多个站点的数据关联性来抑制噪声。这种设计的好处在于,真正的宇宙信号会在所有站点留下有时间关联的痕迹,而本地干扰是杂乱无章的。 利用这套系统做了两个月的连续观测后,研究团队对一类轴子模型给出了国际上最严格的限制。有些参数区间的灵敏度比天文观测高40倍。这项成果让《自然》期刊的审稿专家都忍不住夸道:“为粒子物理和天体物理提供了一个强大的新工具。”它标志着量子传感技术不再只是原理验证或单点测量,而是走向了实用化的网络协同探测新阶段。 这事儿给人类揭开暗物质面纱提供了新的有力手段。据透露,团队接下来打算扩大网络规模,甚至考虑通过全球组网甚至未来的空间部署来进一步提升灵敏度。未来它还可能和引力波天文台等大科学装置联手,探索更多未知的宇宙奥秘。中国科学技术大学这一回算是把量子科技和基础物理融合得挺溜的。