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新思路讓量子傳感器能夠檢測任意頻率電磁信號

發布時間:2022-06-23

  量子計算機在理論上可以找到經典計算機無法解決的問題的答案一樣,新興的量子傳感器也可以帶來新的敏感度、新的應用種類,以及推動一系列領域、技術和科學探索的新機會。

  量子傳感器是根據量子力學規律、利用量子疊加量子糾纏和量子壓縮等效應設計的、用于執行對系統被測量進行變換的物理裝置,能夠實現對各種信號場(如電場和磁場)的靈敏測量,并具有原子尺度的空間分辨率。量子傳感器運用了量子態的極端敏感性,但要使它們切實可行、落地應用是一個極大的挑戰。

  據悉,量子傳感器本質上是其中一些粒子處于微妙平衡狀態的系統,即便是所在場產生微小變化,也會影響系統中粒子的狀態。量子傳感器可利用中性原子、被囚禁的離子和固態自旋等多種形式,采用這些傳感器的研究也得以迅速發展。

  物理學家使用量子傳感器來研究物質的奇異狀態,如時間晶體、拓撲相;以及用它們來表征實驗量子存儲器或計算設備等實用設備。然而,這些信號的可訪問頻率范圍仍然受到傳感器諧振頻率或可實現的控制場幅度的限制,這是它們的實用性的一大障礙。

  近日,麻省理工學院核科學與工程學、物理學教授Paola Cappellaro團隊和隸屬于美國國防部的林肯實驗室人員設計出一個新系統,即量子混頻器(quantum mixer)。在實驗中,研究團隊使用了一種基于金剛石中氮-空位色心陣列的特殊裝置,利用其在磁場中的量子順磁共振效應及熒光輻射特性可進行精密磁測量,可被廣泛應用于量子傳感?;谠撗b置,團隊成功演示了如何使用頻率為2.2千兆赫(GHz)的量子比特探測器,探測到頻率為150兆赫(MHz)的信號。

  該混頻器通過一束微波向探測器射入第二個頻率,通過頻率的轉換,使探測器能夠定位到任何需要的頻率,而不會損失傳感器的納米級空間分辨率。并且這一系統是獨立的,探測器和第二個頻率源都封裝在一個設備中。該系統還能夠以納米級分辨率描述(由微波天線產生的)場的分布,在這一領域很有前景。

  新系統可能會在生物醫學領域產生新的應用,因為它能夠在單個細胞水平上獲得一系列頻率的電、磁活動。并且新系統也許還能夠檢測出單個神經元對某些刺激做出反應時的輸出信號,這些刺激通常會包含大量噪聲,使得輸出信號難以分離出來。新系統還可能用于詳細描述奇異材料的行為,例如二維材料的電磁、光學和物理性質。