【儀表網(wǎng) 產(chǎn)品快訊】近日，物理學(xué)院于長(zhǎng)水教授課題組在腔—磁子體系量子精密測(cè)量方向取得重要進(jìn)展，完成題為《腔-磁系統(tǒng)中突破穩(wěn)態(tài)極限的帶定向的量子磁力計(jì)》(Quantum Magnetometry with Orientation beyond Steady-State Limits in Cavity–Magnon Systems)的研究工作，于9月1日正式發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。第一作者劉正為理論物理專業(yè)在讀博士生，于長(zhǎng)水教授為唯一通訊作者，大連理工大學(xué)為第一完成單位，河南師范大學(xué)為合作單位。
 

　　量子磁測(cè)利用量子系統(tǒng)對(duì)微弱磁場(chǎng)的響應(yīng)實(shí)現(xiàn)高靈敏磁場(chǎng)探測(cè)，在凝聚態(tài)物理、量子信息、材料科學(xué)以及微弱磁信號(hào)檢測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。近年來(lái)，腔—磁子混合系統(tǒng)憑借磁子與微波光子之間的強(qiáng)相互作用，為弱磁場(chǎng)探測(cè)提供了新的物理平臺(tái)。然而，已有研究大多建立在長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)譜測(cè)量基礎(chǔ)上，不僅會(huì)丟失系統(tǒng)初態(tài)和有限時(shí)間動(dòng)力學(xué)所攜帶的信息，而且通常要求傳感方向與待測(cè)磁場(chǎng)相匹配，難以獲得未知磁場(chǎng)的完整方向信息。
 

　　針對(duì)這些問(wèn)題，于長(zhǎng)水課題組建立了腔—磁子弱磁場(chǎng)傳感的有限時(shí)間譜理論框架，并提出超越傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)極限的瞬態(tài)量子磁測(cè)方案。研究利用釔鐵石榴石(YIG)中的磁子模式與微波腔場(chǎng)耦合，將外部脈沖弱磁場(chǎng)信息轉(zhuǎn)換至腔場(chǎng)輸出，通過(guò)有限時(shí)間窗口內(nèi)的輸出功率譜實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)探測(cè)。
 

　　與傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測(cè)量不同，有限時(shí)間測(cè)量保留了系統(tǒng)初態(tài)對(duì)輸出功率譜的貢獻(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，這一通常在穩(wěn)態(tài)極限下被完全耗散的信息，可以轉(zhuǎn)化為提高磁場(chǎng)探測(cè)性能的量子資源。通過(guò)預(yù)先制備具有壓縮特性的初態(tài)，能夠有效降低瞬態(tài)測(cè)量過(guò)程中的量子噪聲，從而顯著提高短時(shí)間窗口內(nèi)的信噪比。研究進(jìn)一步揭示，瞬態(tài)增強(qiáng)的本質(zhì)來(lái)源于系統(tǒng)非平凡的初態(tài)貢獻(xiàn)，說(shuō)明有限時(shí)間動(dòng)力學(xué)可以為短時(shí)弱磁場(chǎng)探測(cè)提供傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測(cè)量所不具備的優(yōu)勢(shì)。
 

　　在瞬態(tài)磁測(cè)的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解決了未知磁場(chǎng)方向的測(cè)量問(wèn)題，提出三維磁場(chǎng)定向重構(gòu)方法。通過(guò)測(cè)量腔場(chǎng)輸出的不同正交分量，可以獲得橫向磁場(chǎng)的信息；同時(shí)，對(duì)縱向磁場(chǎng)施加微小擾動(dòng)并構(gòu)造差分噪聲譜，可以消除與縱向磁場(chǎng)無(wú)關(guān)的背景貢獻(xiàn)，進(jìn)而分別提取三個(gè)方向的磁場(chǎng)分量。數(shù)值結(jié)果表明，重構(gòu)得到的磁場(chǎng)方位角和極角與真實(shí)值在誤差允許的范圍內(nèi)一致，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度和空間方向的完整測(cè)量。
 

　　除瞬態(tài)測(cè)量外，研究還系統(tǒng)分析了長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)極限下的磁場(chǎng)探測(cè)性能。結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)輸出譜測(cè)量會(huì)丟失縱向脈沖磁場(chǎng)的信息，但持續(xù)注入壓縮微波場(chǎng)能夠降低測(cè)量橫場(chǎng)磁場(chǎng)在非共振區(qū)域的腔場(chǎng)量子漲落，拓寬高信噪比工作區(qū)域。同時(shí)，壓縮還可以增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)溫度噪聲的魯棒性，使腔—磁子系統(tǒng)在更寬的參數(shù)范圍內(nèi)保持良好的弱磁場(chǎng)探測(cè)性能。
 

　　該研究從有限時(shí)間動(dòng)力學(xué)出發(fā)，建立了統(tǒng)一描述瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)腔—磁子磁測(cè)的理論框架，揭示了初態(tài)量子資源在短時(shí)磁場(chǎng)探測(cè)中的重要作用，并通過(guò)正交分量測(cè)量與差分譜方法實(shí)現(xiàn)三維磁場(chǎng)的定向重構(gòu)。相關(guān)方法還可進(jìn)一步推廣至其他混合量子系統(tǒng)及量子多體平臺(tái)，為高精度、多參數(shù)量子精密測(cè)量提供新的理論思路。
 

　　引用：【創(chuàng)新在大工】物理學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)在腔—磁子體系量子精密測(cè)量方向取得重要進(jìn)展-大連理工大學(xué)【引用時(shí)間：2026年9月10日】