| 2022年6月23日 |
量子傳感器可以檢測到任何頻率的電磁信號（Nanowerk新聞量子傳感器能探測到磁場或電場最微小的變化，使材料科學和基礎物理學的精確測量成為可能。但這些傳感器隻能檢測到這些磁場的少數特定頻率，限製了它們的用途。現在，麻省理工學院的研究人員開發了一種方法，使這種傳感器能夠檢測任何任意頻率，而不損失測量納米級特征的能力。 |
| 該研究小組已經為這種新方法申請了專利保護，並在雜誌上進行了描述物理評論X（用量子混合器感知任意頻率場)的一篇論文是由麻省理工學院(MIT)和林肯實驗室(Lincoln Laboratory)的核科學、工程和物理教授Paola Cappellaro和其他四人共同完成的。 |
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| 麻省理工學院的研究人員開發了一種方法，使量子傳感器能夠檢測任何任意頻率，而不損失測量納米級特征的能力。量子傳感器可以探測到磁場或電場中最微小的變化，但到目前為止，它們隻能探測到少數特定的頻率，這限製了它們的用途。(圖片來源:王國慶) |
| 量子傳感器可以有多種形式;它們本質上是一個係統，其中一些粒子處於微妙的平衡狀態，甚至會受到它們所接觸的電場的微小變化的影響。它們可以以中性原子、被困離子和固態自旋的形式存在，使用這種傳感器的研究發展迅速。例如，物理學家使用它們來研究物質的奇異狀態，包括所謂的時間晶體和拓撲相，而其他研究人員則使用它們來描述實際設備，如實驗量子存儲器或計算設備。但是，許多其他令人感興趣的現象所跨越的頻率範圍比今天的量子傳感器所能探測到的要寬得多。 |
| 該團隊設計的新係統，他們稱之為量子混合器，通過一束微波向探測器注入第二種頻率。這將被研究場的頻率轉換成不同的頻率——原始頻率和附加信號的頻率之間的差異——這被調諧到探測器最敏感的特定頻率。這個簡單的過程使探測器能夠在任何需要的頻率上定位，而不損失傳感器的納米級空間分辨率。 |
| 在他們的實驗中，該團隊使用了一種基於金剛石中氮空位中心陣列的特定設備，這是一種廣泛使用的量子傳感係統，並成功地演示了使用2.2千兆赫頻率的量子位探測器檢測頻率為150兆赫的信號——如果沒有量子多路複用器，這種檢測是不可能的。然後，他們根據Floquet理論推導出一個理論框架，對這一過程進行了詳細分析，並在一係列實驗中檢驗了該理論的數值預測。 |
| 雖然他們的測試使用的是這種特定的係統，王說，“同樣的原理也可以應用於任何類型的傳感器或量子設備。”該係統將是自給自足的，探測器和第二頻率源都封裝在一個單一的設備中。 |
| 王說，這個係統可以用來描述微波天線的詳細性能。他說:“它可以以納米級別的分辨率描述(天線產生的)磁場分布，所以在這個方向上非常有前途。” |
| 還有其他方法可以改變一些量子傳感器的頻率靈敏度，但這些方法需要使用大型設備和強磁場，這使細微的細節變得模糊，不可能達到新係統提供的非常高的分辨率。在今天的這類係統中，王說，“你需要使用強磁場來調整傳感器，但這個磁場可能會破壞量子材料的特性，從而影響你想要測量的現象。” |
| 據Cappellaro說，該係統可能會在生物醫學領域開辟新的應用，因為它可以在單個細胞的水平上實現電或磁活動的一個頻率範圍。她說，使用目前的量子傳感係統，很難對這類信號獲得有用的分辨率。使用這個係統可以檢測單個神經元對某些刺激的響應輸出信號，例如，這些刺激通常包含大量的噪聲，使得這些信號難以分離。 |
| 該係統還可以用於描述外來材料的詳細行為，如二維材料，正被深入研究其電磁、光學和物理特性。 |
| 在正在進行的工作中，該團隊正在探索尋找方法來擴展係統的可能性，使其能夠一次探測一個頻率範圍，而不是目前係統的單一頻率目標。他們還將繼續使用林肯實驗室更強大的量子傳感設備來定義係統的能力，該研究團隊的一些成員就駐紮在林肯實驗室。 |
