中国科大双镱原子共磁力仪:3 万倍磁场噪声抑制 + 薛定谔猫态 + 60 秒自旋相干 + 微米尺度分辨率

卢征天、夏添团队把两种镱同位素塞进同一束「光笼子」,让它们互相当「对表参考」,磁场共同波动被压低 3 万倍,自旋相干时间拉到 60 秒。8 月 23 日刊于《自然·光子学》——把「找信号 vs 扣背景」变成「两套独立原子同时被同一磁场扰动,看谁先偏离预期」。

一、把两种原子放进同一个「光笼子」

磁场精密测量的头号难题是:「想找的信号」和「环境磁场」都会改变原子自旋的进动频率。如果只观察一种原子,你永远分不清读数变化来自哪边。

8 月 23 日,中国科学技术大学与合肥国家实验室的卢征天教授、夏添研究员等人,在《自然·光子学》(Nature Photonics)发表的工作给出了一个工程上很优雅的解法:用两种镱同位素做「对表」。

团队把镱-171(自旋 1/2)与镱-173(高自旋)同时囚禁在同一束一维光晶格里。这两种原子处于同一位置、经历几乎相同的背景磁场——磁场一变,两种原子的进动频率都跟着变,只是比例不同。这种比例由它们各自的核磁性质决定,是天然的「指纹」。

测量时,科学家同时记下两边的进动频率。如果两边按预期比例一起变化,大概率是共同磁场在波动——背景噪音;如果两边的变化偏离了应有比例,就是值得追踪的信号。这种装置在物理上叫**「共磁力仪」(comagnetometer)**。

二、薛定谔猫态不是噱头,而是工程问题

共磁力仪不是新概念,过去常用玻璃气室在室温下运行。但气室有厘米大小、器壁有厚度——如果想寻找只在几十微米甚至几微米距离内起作用的未知相互作用(比如第五种力、轴子暗物质、电子 EDM 等),气室里的原子根本靠不拢。

新实验用冷原子解决了距离问题:先把镱原子冷却,再用激光形成一维光晶格。但新的麻烦跟着来了——光晶格中困住原子的激光会引起张量光频移,会让高自旋体系的进动相位迅速散开,自旋相干做不长。

团队的解法是给镱-173 上**「薛定谔自旋猫态」**——让原子处于一种量子叠加状态,使其进动频率对张量光频移不敏感。这不是噱头,而是工程手段:猫态让本来对噪音敏感的体系获得对称性,从而把系统性退相干关掉。

对镱-171,自旋 1/2 结构天然不受张量光频移影响——这是核自旋体系的天然优势。

卢征天团队此前已经用同一方法解决过高自旋体系的张量光频移退相干问题。这次的关键新意是:在冷原子系统中第一次同时利用了双同位素 + 猫态,把磁噪声抑制因子压到了 3 万以上。

三、3 万倍、60 秒、微米尺度——三个数字的物理含义

3 万倍意味着:如果以前被背景磁场淹没的信号有 1 个单位,现在它被放大 30000 倍后清晰可见。60 秒自旋相干时间意味着测量可以做到接近 0.017 Hz 的频率分辨率——这正是轴子暗物质、超轻暗光子等假想粒子的特征频段。微米尺度空间分辨率意味着可以探测短程相互作用——过去要找「只在几微米内起作用的未知力」,根本没有工具;现在有了。

团队还利用这套装置精确测定了镱-171 与镱-173 核磁矩比值——这是一个基本物理常数,以前只能从不同实验间接推算,现在可以在同一装置、同一囚禁条件、同一光晶格中直接对比。

四、暗物质、第五种力、电子 EDM——把「天然异常」变成「可证伪信号」

这套冷原子共磁力仪最直接的应用是寻找超越标准模型的新物理。三个具体方向:

1. 轴子暗物质:暗物质候选粒子之一,极轻(质量比电子小 19-21 个数量级),与磁场耦合会转化为单色电磁波。新装置的自旋相干时间正好覆盖这类粒子的特征频率。

2. 第五种力:标准模型有四种基本相互作用(引力、电磁、强、弱),但很多理论预言存在「第五种力」,只在亚毫米到微米尺度起作用。气室里的原子靠不拢,过去根本无法测;光晶格的微米尺度正好打开这扇窗。

3. 电子电偶极矩(EDM):电子形状不对称性的指标,与宇宙中正反物质不对称直接相关。共磁力仪是当前精度竞争最激烈的赛道之一。

特别值得一提的是,这项工作没有直接观测到新物理信号,但提供了一种「以往无法成立」的实验平台——以前没法做,现在能做、能验证、能证伪,这是基础物理实验方法层面的跃迁。

五、与中国量子精密测量全栈的呼应

把卢征天团队这项工作放到 2026 年中国量子精密测量的全景里看,它不是孤例。8 月这四周,中国在量子精密测量三条线上同时推进:

• 1 月,中科大彭新华、江敏团队在 Nature 发表核自旋量子精密测量技术与国际首个基于原子核自旋的量子传感网络;
• 8 月 23 日,卢征天/夏添团队把共磁力仪压到 3 万倍抑制 + 60 秒相干;
• 8 月 24 日,我国牵头的**《量子熵源随机性质量和测试方法学》国际标准提案正式获批立项**,IEC/ISO JTC3 第五次全会,我国还正在牵头研制《基于自由下落冷原子的绝对量子重力仪的性能评估和测试方法》等 5 项国际标准;
• 量子技术国际标准(ISO/IEC)已发布 3 项,全部由中国牵头。

这一组进展共同标志着中国在量子精密测量领域从「单点突破」位移到「系统化标准制定」。实验室成果能写进国际标准,意味着不只是发论文,而是给全行业定规则。

六、判断:这一周量子精密测量真正发生的事

1. 「单原子精度」开始让位给「双原子对照」:以前测磁场靠一种原子,扣背景靠磁屏蔽;现在两种原子互相当参考,自然把共同扰动扣掉,这是物理上更优雅的解;
2. 「实验室里做不出」开始变成「实验室里能做」:微米尺度的短程力、轴子暗物质、电子 EDM——这些过去只能等大型对撞机或空间望远镜,现在用桌面装置就能压测;
3. 「中国主导国际标准」进入加速期:从「量子随机数」到「量子重力仪」,中国正在把国内实验室优势转化为全球规则制定权;
4. 「冷原子」从科学装置变成精密测量范式:光晶格代替气室,猫态代替单态,双同位素代替单同位素——这是工程层面把量子力学用到极限的范例。

把 8 月量子精密测量四条线放在一起看——彭新华量子传感网络、卢征天共磁力仪、量子熵源国际标准、自由下落冷原子绝对重力仪——中国正在量子精密测量领域拼一张「实验室+标准+产业化」的全栈图。

七、给从业者的话

• 如果你做基础物理:关注卢征天团队的后续——双同位素 + 猫态框架可以扩展到三同位素,精度还有 1-2 个数量级提升空间;
• 如果你做量子精密测量产业化:IEC/ISO JTC3 第五次全会获批立项的 5 项中国国际标准,意味着标准制定窗口打开,产业合规路线图开始清晰;
• 如果你做暗物质搜寻:卢征天装置是「桌面级轴子搜寻」的关键工具,与 PandaX-4T 锦屏地下实验室形成「天上 vs 地下 vs 桌面」三种路径;
• 如果你做量子计算/量子通信:共磁力仪的反向应用是「量子纠缠交换」——同一光晶格里不同核自旋的纠缠可以支持分布式量子计算;
• 如果你做科普/科研评价:「3 万倍」是大众听得懂的数字,「60 秒相干」是同行认得的专业数字,「微米分辨率」是工程师关心的指标——三个维度一起说,既不失深度也不丢传播度。

参考来源

• 新浪财经《研制冷原子共磁力仪》(中国科学报 王敏,8/23);
• 腾讯新闻《干扰降低了 3 万倍:两群原子"对表",请出"薛定谔的猫"》(8/24);
• Nature Photonics 原文(8/23 在线);
• 同花顺《我国在量子技术国际标准领域取得新进展》(8/24);
• 中科院物理所《超冷极性分子的团簇束缚及低维有效理论》(8/24);
• 搜狐《寻找暗物质有新发现 地球可能自身就是一台探测器》(SciTechDaily);
• 中国科大官网相关团队介绍(卢征天、夏添、张颉颃)。