麻省理工研发的量子传感器可检测任何频率的电磁信号

凭借检测磁场或电场中最微小变化的能力，量子传感器已经实现了材料科学和基础物理学的精确测量。然而，这些传感器的用途有限，因为它们只能够检测这些场的少数特定频率。现在，麻省理工学院的研究人员已经开发出一种方法，使这种传感器能够检测任何任意的频率，同时不损失其测量纳米级特征的能力。

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研究生王国庆、核科学与工程和物理学教授Paola Cappellaro以及麻省理工学院和林肯实验室的其他四人在《Physical Review X》杂志上发表的一篇论文中描述了这种新方法。该团队已经为这种新方法申请了专利保护。

尽管量子传感器可以有多种形式，但就其本质而言，它们是一些粒子处于微妙平衡状态的系统，它们甚至会受到它们所接触的场的微小变化的影响。这些可以采取中性原子、被困离子和固态自旋的形式，而使用这种传感器的研究已经迅速增长。例如，物理学家用它们来研究奇异的物质状态，包括所谓的时间晶体和拓扑相，而其他科学家则用它们来描述实用设备，如实验性量子存储器或计算设备。然而，许多其他感兴趣的现象所跨越的频率范围比今天的量子传感器所能检测到的要宽得多。

该团队设计的新系统，他们称之为量子混合器，使用一束微波向探测器注入第二个频率。这将被研究的场的频率转换为不同的频率--原始频率和新增信号的频率之差--该频率被调整为探测器最敏感的特定频率。这个简单的过程使检测器能够对任何所需的频率进行调整，而不会损失传感器的纳米级空间分辨率。

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在他们的实验中，该团队使用了一个基于钻石中氮空穴中心阵列的特定装置，这是一个广泛使用的量子传感系统，并成功地展示了使用频率为2.2千兆赫的量子比特探测器对频率为150兆赫的信号的检测--如果没有量子复用器，这种检测是不可能的。然后他们对这一过程做了详细的分析，根据弗洛凯理论推导出一个理论框架，并在一系列实验中测试该理论的数值预测。

王国庆说，虽然他们的测试使用了这个特定的系统，但 “同样的原理也可以应用于任何种类的传感器或量子设备”。该系统将是自成一体的，检测器和第二频率的来源都被封装在一个装置中。

王国庆说，这个系统可以被用来，例如，详细地表征一个微波天线的性能。他说：“它可以用纳米级的分辨率来描述（天线产生的）场的分布，所以它在这个方向上非常有希望。”

还有其他改变一些量子传感器频率灵敏度的方法，但这些方法需要使用大型设备和强磁场，这些设备和磁场会模糊细微的细节，不可能达到新系统提供的非常高的分辨率。王国庆表示，在今天这样的系统中，“你需要使用强磁场来调整传感器，但这种磁场有可能破坏量子材料的特性，从而影响你想要测量的现象”。

Cappellaro说，该系统可能在生物医学领域开辟新的应用，因为它可以在单细胞水平上获得一系列的电或磁活动频率。她说，使用目前的量子传感系统将很难获得这种信号的有用分辨率。也许可以用这个系统来检测单个神经元对某些刺激的输出信号，例如，这些刺激通常包括大量的噪音，使得这种信号难以分离。

该系统还可用于详细描述外来材料的行为，如正在密集研究其电磁、光学和物理特性的二维材料。

在正在进行的工作中，该团队正在探索寻找扩大系统的可能性，以便能够同时探测一系列的频率，而不是目前系统的单一频率目标。他们还将继续使用林肯实验室更强大的量子传感设备来定义该系统的能力，研究小组的一些成员就在那里。

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