今頭條！麻省理工學(xué)院的量子傳感器可檢測任何頻率的電磁信號

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研究生王國慶、核科學(xué)與工程和物理學(xué)教授Paola Cappellaro以及麻省理工學(xué)院和林肯實(shí)驗(yàn)室的其他四人在《Physical Review X》雜志上發(fā)表的一篇論文中描述了這種新方法。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為這種新方法申請了專利保護(hù)。

盡管量子傳感器可以有多種形式，但就其本質(zhì)而言，它們是一些粒子處于微妙平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，它們甚至?xí)艿剿鼈兯佑|的場的微小變化的影響。這些可以采取中性原子、被困離子和固態(tài)自旋的形式，而使用這種傳感器的研究已經(jīng)迅速增長。例如，物理學(xué)家用它們來研究奇異的物質(zhì)狀態(tài)，包括所謂的時間晶體和拓?fù)湎啵渌茖W(xué)家則用它們來描述實(shí)用設(shè)備，如實(shí)驗(yàn)性量子存儲器或計(jì)算設(shè)備。然而，許多其他感興趣的現(xiàn)象所跨越的頻率范圍比今天的量子傳感器所能檢測到的要寬得多。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的新系統(tǒng)，他們稱之為量子混合器，使用一束微波向探測器注入第二個頻率。這將被研究的場的頻率轉(zhuǎn)換為不同的頻率--原始頻率和新增信號的頻率之差--該頻率被調(diào)整為探測器最敏感的特定頻率。這個簡單的過程使檢測器能夠?qū)θ魏嗡璧念l率進(jìn)行調(diào)整，而不會損失傳感器的納米級空間分辨率。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)使用了一個基于鉆石中氮空穴中心陣列的特定裝置，這是一個廣泛使用的量子傳感系統(tǒng)，并成功地展示了使用頻率為2.2千兆赫的量子比特探測器對頻率為150兆赫的信號的檢測--如果沒有量子復(fù)用器，這種檢測是不可能的。然后他們對這一過程做了詳細(xì)的分析，根據(jù)弗洛凱理論推導(dǎo)出一個理論框架，并在一系列實(shí)驗(yàn)中測試該理論的數(shù)值預(yù)測。

王國慶說，雖然他們的測試使用了這個特定的系統(tǒng)，但 “同樣的原理也可以應(yīng)用于任何種類的傳感器或量子設(shè)備”。該系統(tǒng)將是自成一體的，檢測器和第二頻率的來源都被封裝在一個裝置中。

王國慶說，這個系統(tǒng)可以被用來，例如，詳細(xì)地表征一個微波天線的性能。他說：“它可以用納米級的分辨率來描述（天線產(chǎn)生的）場的分布，所以它在這個方向上非常有希望。”

還有其他改變一些量子傳感器頻率靈敏度的方法，但這些方法需要使用大型設(shè)備和強(qiáng)磁場，這些設(shè)備和磁場會模糊細(xì)微的細(xì)節(jié)，不可能達(dá)到新系統(tǒng)提供的非常高的分辨率。王國慶表示，在今天這樣的系統(tǒng)中，“你需要使用強(qiáng)磁場來調(diào)整傳感器，但這種磁場有可能破壞量子材料的特性，從而影響你想要測量的現(xiàn)象”。

Cappellaro說，該系統(tǒng)可能在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開辟新的應(yīng)用，因?yàn)樗梢栽趩渭?xì)胞水平上獲得一系列的電或磁活動頻率。她說，使用目前的量子傳感系統(tǒng)將很難獲得這種信號的有用分辨率。也許可以用這個系統(tǒng)來檢測單個神經(jīng)元對某些刺激的輸出信號，例如，這些刺激通常包括大量的噪音，使得這種信號難以分離。

該系統(tǒng)還可用于詳細(xì)描述外來材料的行為，如正在密集研究其電磁、光學(xué)和物理特性的二維材料。

在正在進(jìn)行的工作中，該團(tuán)隊(duì)正在探索尋找擴(kuò)大系統(tǒng)的可能性，以便能夠同時探測一系列的頻率，而不是目前系統(tǒng)的單一頻率目標(biāo)。他們還將繼續(xù)使用林肯實(shí)驗(yàn)室更強(qiáng)大的量子傳感設(shè)備來定義該系統(tǒng)的能力，研究小組的一些成員就在那里。