今頭條！麻省理工學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、核科學與工程和物理學教授Paola Cappellaro以及麻省理工學院和林肯實驗室的其他四人在《Physical Review X》雜志上發表的一篇論文中描述了這種新方法。該團隊已經為這種新方法申請了專利保護。

盡管量子傳感器可以有多種形式，但就其本質而言，它們是一些粒子處于微妙平衡狀態的系統，它們甚至會受到它們所接觸的場的微小變化的影響。這些可以采取中性原子、被困離子和固態自旋的形式，而使用這種傳感器的研究已經迅速增長。例如，物理學家用它們來研究奇異的物質狀態，包括所謂的時間晶體和拓撲相，而其他科學家則用它們來描述實用設備，如實驗性量子存儲器或計算設備。然而，許多其他感興趣的現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。

該團隊設計的新系統，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對任何所需的頻率進行調整，而不會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，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--如果沒有量子復用器，這種檢測是不可能的。然后他們對這一過程做了詳細的分析，根據弗洛凱理論推導出一個理論框架，并在一系列實驗中測試該理論的數值預測。

王國慶說，雖然他們的測試使用了這個特定的系統，但 “同樣的原理也可以應用于任何種類的傳感器或量子設備”。該系統將是自成一體的，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，這個系統可以被用來，例如，詳細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備和強磁場，這些設備和磁場會模糊細微的細節，不可能達到新系統提供的非常高的分辨率。王國慶表示，在今天這樣的系統中，“你需要使用強磁場來調整傳感器，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象”。

Cappellaro說，該系統可能在生物醫學領域開辟新的應用，因為它可以在單細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將很難獲得這種信號的有用分辨率。也許可以用這個系統來檢測單個神經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。

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

在正在進行的工作中，該團隊正在探索尋找擴大系統的可能性，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該系統的能力，研究小組的一些成員就在那里。