單束激光提升原子自旋穩定性，推進量子技術發展

研究人員發現了一種強大的新方法，可以有效保護原子免受量子信息損失，這一直是建造可靠量子技術的障礙。

通過使用一束精心調整的激光束，物理學家成功地保持了銫原子氣體中原子自旋的對齊，將信息損失減少了近十倍。

這項技術顯著降低了「自旋鬆弛」，這是量子傳感器和記憶系統中的一個主要挑戰，因為原子因為碰撞和環境擾動而失去其磁性方向。

這項工作由耶路撒冷希伯來大學和康奈爾大學的科學家領導，可能使量子設備變得更加穩定、緊湊和實用，而無需依賴笨重的屏蔽或超低溫。

傳統上，防止自旋鬆弛涉及低磁場、低溫或複雜的屏蔽設置。

而這種新方法則避免了所有這些。它利用激光光束微妙地改變原子的能量水平，對齊它們的自旋並保持同步，即使在原子相互碰撞或撞擊細胞壁時也能如此。

研究人員表示：「通過利用原子的自然運動並使用光作為穩定器，我們現在可以在更廣泛的條件下保持相干性。」

在一個使用溫暖銫蒸氣的實驗室設置中，團隊實現了原子保持自旋方向的時間提高了九倍。

結果顯示，光可以作為量子狀態的有效穩定器，即使在室溫和高磁場下也能運作。

這一突破來自於通過激光誘導的「光位移」來同步原子自旋的進動。這些位移就像一個調音叉，迫使原子的磁矩在擾動下保持同步，類似於在混亂的環境中保持節奏的旋轉陀螺。

這項技術的影響超越了實驗室。依賴原子自旋的設備，如磁力計、量子傳感器和導航系統，可能會受益匪淺。

這種新方法可能改善用於腦部成像、考古學甚至太空探索的傳感器。它還可以提升不依賴GPS的精密導航工具，並推進量子信息系統，其中自旋相干性至關重要。

研究人員表示：「這種方法為保護量子系統免受噪聲開啟了新的一章。」

團隊成員包括來自希伯來大學的Avraham Berrebi、Mark Dikopoltsev、Ori Katz教授以及來自康奈爾大學的Or Katz教授。

他們的技術建立在數十年的原子物理研究基礎上，但引入了一個簡單而優雅的解決方案，可能改變穩定量子系統的方式。

關鍵是，使用光而不是磁場或低溫意味著這種方法更容易擴展並應用於現實條件中。

通過證明單束激光可以顯著改善量子穩定性，研究人員朝著使下一代量子工具更易於獲取、準確和耐用邁出了重要一步。

該研究已發表在《Physical Review Letters》期刊上。

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