CERN機(jī)構(gòu)的大型強(qiáng)子對撞機(jī)是世界上最大最強(qiáng)的粒子加速器

       人類生活在一個(gè)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(shè)備也會產(chǎn)生不良影響。

       對于研究微型和長距的物理學(xué)家來說，噪聲就特別的“致命”，它直接影響著研究項(xiàng)目的成敗。為降低噪聲，往往需要大型昂貴的設(shè)備和解決方案。為了觀察希格斯波色子中的微小信號，科學(xué)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(xué)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(yuǎn)的星系，則要向太空發(fā)射望遠(yuǎn)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(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種利用量子傳感器旋轉(zhuǎn)的技術(shù)，實(shí)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(shí)現(xiàn)細(xì)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(yīng)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(gè)氮原子替代了一個(gè)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(xué)物理系的Alexander Wood教授介紹到：一個(gè)電子實(shí)際上就是一個(gè)條形磁鐵，有南北磁極之分。如果我們將一個(gè)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(gè)碳原子中就有1個(gè)碳13，它有一個(gè)額外的中子。
       每個(gè)碳13的中子和電子一樣，都類似一個(gè)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。

       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(xué)量子傳感器研究項(xiàng)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(jìn)行傳感的基本原理。
       團(tuán)隊(duì)通過對整個(gè)設(shè)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。而阻止碳13原子自旋時(shí)會產(chǎn)生一個(gè)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(rèn)為碳13的原子條形磁鐵已經(jīng)停止。為做到這一點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室的Robert Scholten教授采用了經(jīng)典無力技術(shù)，讓整個(gè)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?？?，當(dāng)把金剛石速度調(diào)整為每秒5000次時(shí)，NV中心的原子條形磁鐵就不會受到影響。

       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(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)環(huán)境就是當(dāng)你不進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，環(huán)境就顯得‘多次’；而當(dāng)你旋轉(zhuǎn)的時(shí)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(dāng)金剛石以接近碳13原子的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，就可以得到完美的量子精度。但研究人員在實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(yīng)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)）