量子傳感器承諾具有前所未有的靈敏度，可用于許多新的應用，例如探測思想的磁場或聆聽來自暗物質的無線電波。然而，許多量子傳感器在測量過程中會遇到嚴重降低性能的高噪聲。現在，一項新的研究揭示了一種克服這種噪音的技術，可以潛在地將這些設備的靈敏度提高一百倍。

量子技術依賴于可能出現的量子效應，因為宇宙在最小的層面上可能變得非常模糊。例如，被稱為疊加的量子效應使原子和宇宙的其他組成部分基本上同時存在于兩個或多個地方或狀態。

眾所周知，這些量子效應很容易受到外界干擾。然而，量子傳感器利用這一脆弱性，對環境中最輕微的干擾具有極高的靈敏度。科學家們目前正在開發量子傳感器，可以以前所未有的細節繪制隱藏在地下的特征，并以優異的性能和成本無創地掃描大腦活動。

一種常見的固態量子傳感器平臺由微小的人造金剛石組成，其中含有缺陷，其中一個碳原子被一個氮原子取代，相鄰的碳原子缺失。這些氮空位（NV）中心可以被認為是存在于0和1兩個能級疊加中的“量子比特”。

芝加哥大學理論量子物理學家、該研究的資深作者Aashish Clerk說：“當你使用綠色激光時，只有當量子比特處于1態時，你才能獲得強紅光熒光。” 磁、電、熱和其他干擾可以改變這種響應，使NV中心可以充當傳感器。

然而，典型的固態量子傳感器，包括基于NV中心的傳感器，在讀出測量值時經常會遇到大量噪聲。這種檢測噪聲會大大限制其可達到的靈敏度。

現在，Clerk和他的同事們發現，量子效應經常被視為一種麻煩，可能有助于顯著提高這些量子傳感器的靈敏度。“我們認為靈敏度可能會提高一到兩個數量級，”他說。

固態量子傳感器通常可能擁有數百或數千個量子比特。它們可能會在光子爆發中共同釋放能量。這種被稱為超輻射衰變的效應會給量子傳感注入一些噪聲，因此通常是不需要的。然而，這種衰變產生的噪聲遠小于固態量子傳感器在讀出過程中所經歷的噪聲。

當研究人員探索衰變過程中量子比特之間的相互作用時，“我們意識到可能會發生一些潛在有用的事情，”Clerk說。當每一個量子比特從1衰減到0時，它會對所有其他處于疊加狀態的未衰變量子比特產生一點影響。

科學家們出乎意料地發現，這一擊可以放大剩余量子比特中編碼信息的可檢測性。如果研究人員只讓超輻射衰變發生一段有限的時間，那么最終可能會有一半的量子比特保持完好，同時顯著放大其中的信號。

研究人員建議，將微波或機械諧振器與NV中心量子傳感器中的量子比特耦合，可以幫助實現讀出前的超輻射放大步驟。這反過來會大大提高設備的靈敏度。

研究人員補充說，這種方法還應與其他一些量子傳感平臺合作，例如基于鉆石中硅空位中心的平臺。“我們正在積極與實驗小組合作，以實施我們的方案，”Clerk說。

自20世紀50年代以來，物理學家就知道超輻射。“令人驚訝和興奮的是，我們才剛剛開始了解和利用超輻射物理學的某些方面，” Clerk表示。