可用于量子存储器：澳洲团队提升光谱仪精度100万倍！

光子盒研究院出品

近日，发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中，来自新南威尔士大学电气工程和电信学院的Jarryd Pla副教授团队，以及Scientia教授Andrea Morello，描述了一种能够高精度测量材料中自旋的全新工程装置。

超敏感自旋探测装置

“电子的自旋，无论它是指向上还是向下，是自然界的一个基本属性，”A/Prof. Pla说：“它被用于存储信息的磁性硬盘，核磁共振仪利用水分子的自旋来创建我们身体内部的图像，自旋甚至被用于建立量子计算机。”

”因此，能够检测材料内部的自旋对一系列的应用非常重要，特别是在化学和生物学领域，它可以用来了解材料的结构和用途，使我们能够设计出更好的化学品、药物等等。”

在化学、生物学、物理学和医学等研究领域，用于测量自旋的工具被称为自旋共振光谱仪。通常情况下，商业化生产的光谱仪需要数十亿到数万亿的自旋才能得到准确的读数，但是A/Pla教授和他的同事们能够测量数千数量级的电子自旋，这意味着新工具的灵敏度提高了约100万倍。

Jarryd Pla

这是一个相当大的壮举，因为有一系列的系统无法用商业工具进行测量，如微观样品、二维材料和高质量的太阳能电池，它们的自旋太少，无法产生可测量的信号。

这一突破几乎是偶然发生的，因为该团队正在为超导量子计算机开发一个量子存储器元件。该记忆元件的目标是将量子信息从超导电路转移到放置在电路下面的自旋集合体。

”我们注意到，虽然该装置没有完全按计划作为记忆元件工作，但它在测量自旋集合方面非常出色，”该研究的主要作者Wyatt Vine说：”我们发现，通过在自旋发出信号时向该装置发送微波功率，我们可以在信号离开装置之前将其放大。更重要的是，这种放大可以在非常少的附加噪声下进行，几乎达到了量子力学设定的极限。”

虽然过去已经开发了其他使用超导电路的高灵敏度光谱仪，但它们需要多种组件，与磁场不兼容，并且必须在非常寒冷的环境中使用昂贵的稀释制冷机进行操作，其温度可低至0.01开尔文。

器件设计和谐振器表征。

在这项新的发展中，Pla教授说他和团队成功地将这些部件集成在一个芯片上。

”我们的新技术将光谱仪的几个重要部分整合到一个设备中，并且与相对较大的磁场兼容。这很重要，因为测量自旋它们需要放在一个大约0.5特斯拉的磁场中，这比地球磁场强一万倍。”

”此外，我们的设备在比以前的演示高10倍以上的温度下运行，这意味着我们不需要使用稀释制冷机。”

Pla教授说，新南威尔士大学的团队已经为这项技术申请了专利，以期实现潜在的商业化，但他强调，仍有工作要做。

”有可能将这个东西打包并商业化，这将使其他研究人员能够将其插入他们现有的商业系统，使他们获得灵敏度的提高。”

”如果这项新技术得到适当的发展，它可以帮助化学家、生物学家和医学研究人员，他们目前依赖于这些大型科技公司制造的工具，这些工具是有效的，但可以做得更好。”

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