近日，麻省理工學(xué)院研究人員開發(fā)了一種方法，使量子傳感器能夠檢測任意頻率，并且依然具有在納米尺度上進(jìn)行測量的能力。

圖片來自麻省理工學(xué)院(MIT)

目前，團(tuán)隊已為新方法申請了專利保護(hù)。通過這一方法，能夠擴展超靈敏的納米級量子探測器的能力，并可潛在應(yīng)用于量子計算和生物傳感領(lǐng)域。相關(guān)成果發(fā)表在《物理評論X》(Physical Review X)。

圖片來自《物理評論X》(Physical Review X)

據(jù)悉，量子傳感器本質(zhì)上是其中一些粒子處于微妙平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，即便是所在場產(chǎn)生微小變化，也會影響系統(tǒng)中粒子的狀態(tài)。量子傳感器可利用中性原子、被囚禁的離子和固態(tài)自旋等多種形式，采用這些傳感器的研究也得以迅速發(fā)展。例如，物理學(xué)家使用量子傳感器來研究物質(zhì)的奇異狀態(tài)，包括時間晶體和拓?fù)湎唷５芏嗔羁茖W(xué)家感興趣的物理現(xiàn)象仍會涉及較大頻率范圍，超過現(xiàn)有量子傳感器的探測范圍。

此次，由麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程學(xué)、物理學(xué)教授Paola Cappellaro團(tuán)隊和隸屬于美國國防部的林肯實驗室人員設(shè)計出一個新系統(tǒng)，他們稱之為量子混合器(quantum mixer)，也可稱為量子混頻器。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(zhuǎn)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。

在實驗中，研究團(tuán)隊使用了一種基于金剛石中氮-空位色心陣列的特殊裝置。氮-空位色心（NV色心），是鉆石晶體結(jié)構(gòu)中常見的點缺陷，由氮原子取代碳原子和相鄰空穴而形成，利用其在磁場中的量子順磁共振效應(yīng)及熒光輻射特性可進(jìn)行精密磁測量，可被廣泛應(yīng)用于量子傳感。

(a)量子混頻原理圖，(b)電子自旋共振譜儀基于金剛石中氮-空位色心陣列探測結(jié)果，圖片來自論文

基于前述裝置，團(tuán)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。以往如果不借助量子多路復(fù)用器，這是無法實現(xiàn)的。然后通過推導(dǎo)一個基于弗洛凱(Floquet)理論的理論框架，團(tuán)隊對這一過程進(jìn)行了細(xì)致分析，并在一系列實驗中測試了該理論的數(shù)值預(yù)測。弗洛凱理論是常微分方程理論的一種。

“同樣的原理也可以應(yīng)用于任何類型的傳感器或量子設(shè)備。”論文第一作者、麻省理工學(xué)院研究生王國慶說道，“這一系統(tǒng)是獨立的，探測器和第二個頻率源都封裝在一個設(shè)備中。”

他表示，前述系統(tǒng)可以用于詳細(xì)描述微波天線的性能。工作于米波、厘米波、毫米波等波段的發(fā)射或接收天線，統(tǒng)稱為微波天線。“該系統(tǒng)能夠以納米級分辨率描述(由微波天線產(chǎn)生的)場的分布，所以它在這一領(lǐng)域很有前景。”

盡管其他方法也可以改變部分量子傳感器的頻率靈敏度，但均離不開大型設(shè)備和強磁場。而這些恰恰會降低精度，無法達(dá)到新系統(tǒng)所實現(xiàn)的超高分辨率。例如，用于調(diào)整傳感器的強磁場，可能會破壞量子材料的特性，從而影響想要測量的物理現(xiàn)象。

麻省理工學(xué)院教授Cappellaro表示，前述系統(tǒng)可能會在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生新的應(yīng)用，因為它可以在單個細(xì)胞水平上獲得一系列頻率的電、磁活動。“使用現(xiàn)有的量子傳感系統(tǒng)很難獲得這類信號的有用分辨率。”但新系統(tǒng)也許可以檢測出單個神經(jīng)元對某些刺激做出反應(yīng)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(tǒng)還可能用于詳細(xì)描述奇異材料的行為，例如二維材料的電磁、光學(xué)和物理性質(zhì)。

目前，研究團(tuán)隊正在探索如何擴展新系統(tǒng)，使其能夠同時探測一系列頻率，而不是單一頻率。他們還將繼續(xù)使用林肯實驗室的量子傳感設(shè)備來進(jìn)一步確定新系統(tǒng)所具備的能力。