如何让量子传感器检测到任何频率电磁信号？MIT有新思路

近日，麻省理工学院研究人员开发了一种方法，使量子传感器能够检测任意频率，并且依然具有在纳米尺度上进行测量的能力。

图片来自麻省理工学院(MIT)

目前，团队已为新方法申请了专利保护。通过这一方法，能够扩展超灵敏的纳米级量子探测器的能力，并可潜在应用于量子计算和生物传感领域。相关成果发表在《物理评论X》(Physical Review X)。

图片来自《物理评论X》(Physical Review X)

据悉，量子传感器本质上是其中一些粒子处于微妙平衡状态的系统，即便是所在场产生微小变化，也会影响系统中粒子的状态。量子传感器可利用中性原子、被囚禁的离子和固态自旋等多种形式，采用这些传感器的研究也得以迅速发展。例如，物理学家使用量子传感器来研究物质的奇异状态，包括时间晶体和拓扑相。但很多令科学家感兴趣的物理现象仍会涉及较大频率范围，超过现有量子传感器的探测范围。

此次，由麻省理工学院核科学与工程学、物理学教授Paola Cappellaro团队和隶属于美国国防部的林肯实验室人员设计出一个新系统，他们称之为量子混合器(quantum mixer)，也可称为量子混频器。该混频器通过一束微波向探测器射入第二个频率，通过频率的转换，使探测器能够定位到任何需要的频率，而不会损失传感器的纳米级空间分辨率。

在实验中，研究团队使用了一种基于金刚石中氮-空位色心阵列的特殊装置。氮-空位色心（NV色心），是钻石晶体结构中常见的点缺陷，由氮原子取代碳原子和相邻空穴而形成，利用其在磁场中的量子顺磁共振效应及荧光辐射特性可进行精密磁测量，可被广泛应用于量子传感。

(a)量子混频原理图，(b)电子自旋共振谱仪基于金刚石中氮-空位色心阵列探测结果，图片来自论文

基于前述装置，团队成功演示了如何使用频率为2.2千兆赫(GHz)的量子比特探测器，探测到频率为150兆赫(MHz)的信号。以往如果不借助量子多路复用器，这是无法实现的。然后通过推导一个基于弗洛凯(Floquet)理论的理论框架，团队对这一过程进行了细致分析，并在一系列实验中测试了该理论的数值预测。弗洛凯理论是常微分方程理论的一种。

“同样的原理也可以应用于任何类型的传感器或量子设备。”论文第一作者、麻省理工学院研究生王国庆说道，“这一系统是独立的，探测器和第二个频率源都封装在一个设备中。”

他表示，前述系统可以用于详细描述微波天线的性能。工作于米波、厘米波、毫米波等波段的发射或接收天线，统称为微波天线。“该系统能够以纳米级分辨率描述(由微波天线产生的)场的分布，所以它在这一领域很有前景。”

尽管其他方法也可以改变部分量子传感器的频率灵敏度，但均离不开大型设备和强磁场。而这些恰恰会降低精度，无法达到新系统所实现的超高分辨率。例如，用于调整传感器的强磁场，可能会破坏量子材料的特性，从而影响想要测量的物理现象。

麻省理工学院教授Cappellaro表示，前述系统可能会在生物医学领域产生新的应用，因为它可以在单个细胞水平上获得一系列频率的电、磁活动。“使用现有的量子传感系统很难获得这类信号的有用分辨率。”但新系统也许可以检测出单个神经元对某些刺激做出反应时的输出信号，这些刺激通常会包含大量噪声，使得输出信号难以分离出来。新系统还可能用于详细描述奇异材料的行为，例如二维材料的电磁、光学和物理性质。

目前，研究团队正在探索如何扩展新系统，使其能够同时探测一系列频率，而不是单一频率。他们还将继续使用林肯实验室的量子传感设备来进一步确定新系统所具备的能力。