磁感應(yīng)層析成像（MIT）是一種無接觸、無損的成像方法，可以探測物質(zhì)的電學(xué)和磁學(xué)特性。MIT在地球物理勘探和金屬物體的無損檢測中有著廣泛的應(yīng)用，也有可能在醫(yī)學(xué)成像中發(fā)揮作用，比如監(jiān)測大腦活動(dòng)。

MIT的原理是利用一根通電的線圈產(chǎn)生的磁場，在被檢測的物質(zhì)中激發(fā)出渦流。這些渦流也會產(chǎn)生磁場，這個(gè)磁場可以用另一個(gè)線圈或者一個(gè)更精確的量子傳感器——原子磁強(qiáng)計(jì)來檢測。通過分析檢測到的磁場，可以獲得物質(zhì)中電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的分布信息。

MIT的靈敏度通常受到所謂的標(biāo)準(zhǔn)量子極限的限制，這個(gè)極限由探測器的量子噪聲和反作用共同決定。反作用是指探測器對磁場測量產(chǎn)生的影響。

最近，丹麥哥本哈根大學(xué)的Eugene Polzik和他的同事們展示了一種利用量子現(xiàn)象來提高M(jìn)IT靈敏度的方法。他們的實(shí)驗(yàn)是量子增強(qiáng)傳感的最新例證，這種傳感技術(shù)之前已經(jīng)在引力波探測等領(lǐng)域得到了驗(yàn)證。

在一系列實(shí)驗(yàn)中，Polzik和他的同事們表明，如果使用含有糾纏原子的原子磁強(qiáng)計(jì)，可以減小噪聲并避免反作用，從而使MIT靈敏度超越標(biāo)準(zhǔn)量子極限。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的量子增強(qiáng)方法將傳統(tǒng)技術(shù)的精度提高了近一倍。

Polzik和他的同事們的實(shí)驗(yàn)是基于一種特殊的原子磁強(qiáng)計(jì)，它由一個(gè)含有銫原子的氣體室和一個(gè)光纖組成。銫原子可以被激光操控，使它們的自旋形成一種叫作自旋壓縮（spin squeezing）的量子態(tài)。這種量子態(tài)可以降低原子磁強(qiáng)計(jì)的噪聲，提高其測量精度。

為了實(shí)現(xiàn)MIT，研究人員在氣體室附近放置了一個(gè)通電的線圈，產(chǎn)生了一個(gè)交變磁場。這個(gè)磁場在一個(gè)導(dǎo)電樣品中激發(fā)出渦流，從而改變了原子磁強(qiáng)計(jì)檢測到的磁場。通過調(diào)節(jié)激光的頻率和強(qiáng)度，研究人員可以實(shí)現(xiàn)兩種不同的測量模式：一種是條件自旋壓縮，另一種是隨機(jī)反作用回避。

條件自旋壓縮模式是指在每次測量之后，根據(jù)測量結(jié)果對原子進(jìn)行反饋控制，使它們保持在自旋壓縮態(tài)。這種模式可以減小噪聲，但會增加反作用。隨機(jī)反作用回避模式是指在每次測量之前，對原子進(jìn)行隨機(jī)旋轉(zhuǎn)，使它們與磁場的相互作用時(shí)間變得不確定。這種模式可以避免反作用，但會增加噪聲。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過結(jié)合這兩種模式，可以實(shí)現(xiàn)一種量子增強(qiáng)的MIT，其靈敏度超過了標(biāo)準(zhǔn)量子極限。他們還證明了這種方法對于探測不同形狀和大小的導(dǎo)電樣品都有效。

這項(xiàng)工作為MIT提供了一種新的量子工具，有望在未來推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。