利用超快激光脉冲和新型分子探针进行量子传感
发布时间：2024-12-03 09:46:48 阅读数： 580
在探索未来量子技术的征途中，科学家们正积极尝试各种创新方法，其中一项引人注目的尝试是利用分子作为量子技术的基石。加州理工学院的科学家们近期取得了一项突破，他们通过超快激光脉冲成功地在一种特殊设计的分子上实现了量子力学的核心特性——叠加态，进而将该分子转化为一种量子传感器。这种传感器能够利用量子效应来测量其周围的化学现象。
想象一下，如果你有一个盒子，里面的猫可以同时是死的和活的，直到你打开盒子观察，这种既存在又不存在的状态就是叠加态的一个直观比喻。在量子世界里，电子也能处于多个可能的状态中，每个状态代表一个不同的结果，直到进行测量时，电子才会“选择”其中一个状态。
量子技术中，一个重要的概念是量子比特（qubit），它是经典计算机中比特（bit）的量子对应物。与只能表示0或1的经典比特不同，量子比特可以同时表示0和1的叠加态，这使得量子计算机的计算能力大大超过经典计算机。然而，要实现这种潜力，必须克服一个关键挑战：叠加态容易因与环境相互作用而迅速坍缩。
加州理工学院的科学家们通过一种新方法，使用飞秒激光脉冲（持续时间仅为十亿分之一秒的百万分之一）来测量室温下分子的叠加现象。他们选择了一种相对简单的分子——六氯铱酸钾（K2IrCl6），这种分子具有高度对称性，其电子状态排列使得光可以有效地操纵电子自旋。
实验过程是这样的：首先，科学家们用精心选择的飞秒激光脉冲照射K2IrCl6样品，这个激光脉冲具有特定的偏振方向。这个脉冲将电子从一个状态激发到更高的状态，从而产生叠加态。然后，在几秒后，他们让另一个较弱的激光脉冲穿过样品，并测量光的偏振变化。通过这种方式，他们可以确定电子在放松到初始状态之前在叠加状态中保持了多长时间。
这项技术的关键在于，它不仅能够测量叠加态，还能揭示叠加态的持续时间。此外，这些分子还可以作为量子传感器使用，因为它们对周围环境中的各种化学性质非常敏感，如粘度或共同原子核产生的磁场。
例如，通过测量电子叠加对周围环境的响应，科学家们可以识别蛋白质中的个体突变。由于自旋叠加对其他原子核空间分布的敏感性，研究人员可以探索蛋白质结构和氨基酸组成如何影响自旋叠加，从而可能提供关于蛋白质中是否存在某些癌症点突变的信息。
这项技术的简单性也使其具有广泛的用途。由于只使用光，并且不需要像其他方法那样使用大型磁铁或微波，科学家们可以在非?？焖俚氖奔涑叨群托〕叽绯叨壬辖胁饬?。这意味着他们有可能将这种技术应用于显微镜观察，从而开启对生物系统中以前未被充分探索特性的研究。
总的来说，加州理工学院的这项研究为量子传感应用的发展提供了一个新的平台，并为未来量子技术的开发开辟了新的道路。通过利用超快激光脉冲和特殊设计的分子，科学家们正在逐步揭开量子世界的神秘面纱，并探索其无限的可能性。
