سنسور کوانتومی می تواند سیگنال های الکترومغناطیسی را با هر فرکانس تشخیص دهد

حسگرهای کوانتومی که کوچک ترین تغییرات میدان های مغناطیسی یا الکتریکی را تشخیص می دهند، اندازه گیری های دقیقی را در علم مواد و فیزیک بنیادی ممکن کرده اند. اما این حسگرها تنها قادر به تشخیص چند فرکانس خاص از این میدان‌ها بوده‌اند و کارایی آنها را محدود می‌کنند. اکنون، محققان MIT روشی را توسعه داده‌اند که چنین حسگرهایی را قادر می‌سازد تا فرکانس‌های دلخواه را بدون از دست دادن توانایی اندازه‌گیری ویژگی‌های مقیاس نانومتر شناسایی کنند.

روش جدید ، که تیم قبلاً برای حفاظت از حق اختراع برای آن درخواست کرده است، در مجله Physical Review X در مقاله ای توسط دانشجوی فارغ التحصیل Guoqing Wang، استاد علوم و مهندسی هسته ای و فیزیک، Paola Cappellaro، و چهار نفر دیگر در MITو آزمایشگاه لینکلن

حسگرهای کوانتومی می توانند اشکال مختلفی داشته باشند. آنها اساساً سیستم‌هایی هستند که در آنها برخی از ذرات در آن حالت متعادل ظریفی دارند که حتی تحت تأثیر تغییرات کوچک در میدان‌هایی که در معرض آن قرار می‌گیرند، قرار می‌گیرند. اینها می توانند به شکل اتم های خنثی، یون های به دام افتاده و اسپین های حالت جامد باشند و تحقیقات با استفاده از چنین حسگرهایی به سرعت رشد کرده است. به عنوان مثال، فیزیکدانان از آنها برای بررسی حالت های عجیب و غریب ماده، از جمله بلورهای زمانی و فازهای توپولوژیکی استفاده می کنند، در حالی که سایر محققان از آنها برای توصیف دستگاه های عملی مانند حافظه کوانتومی تجربی یا دستگاه های محاسباتی استفاده می کنند. اما بسیاری از پدیده های مورد توجه دیگر محدوده فرکانسی بسیار وسیع تری را در بر می گیرند که حسگرهای کوانتومی امروزی می توانند تشخیص دهند.

سیستم جدیدی که این تیم ابداع کرد، که آن را میکسر کوانتومی می نامند، فرکانس دوم را با استفاده از پرتو امواج مایکروویو به آشکارساز تزریق می کند. این فرکانس میدان مورد مطالعه را به فرکانس متفاوتی تبدیل می کند – تفاوت بین فرکانس اصلی و سیگنال اضافه شده – که به فرکانس خاصی که آشکارساز به آن حساس است تنظیم می شود. این فرآیند ساده آشکارساز را قادر می‌سازد تا در هر فرکانس دلخواه، بدون از دست دادن وضوح فضایی در مقیاس نانو سنسور، به خانه وارد شود.

در آزمایش‌های خود، این تیم از یک دستگاه خاص مبتنی بر آرایه‌ای از مراکز خالی نیتروژن در الماس، یک سیستم سنجش کوانتومی پرکاربرد استفاده کردند و با موفقیت تشخیص سیگنالی با فرکانس 150 مگاهرتز را با استفاده از آشکارساز کیوبیت با فرکانس نشان دادند. 2.2 گیگاهرتز – تشخیصی که بدون مالتی پلکسر کوانتومی غیرممکن است. آنها سپس با استخراج یک چارچوب نظری، بر اساس تئوری Floquet، و آزمایش پیش‌بینی‌های عددی آن نظریه در یک سری آزمایش، تحلیل‌های دقیقی از فرآیند انجام دادند.

وانگ می‌گوید در حالی که آزمایش‌های آن‌ها از این سیستم خاص استفاده می‌کردند، «همین اصل را می‌توان برای هر نوع حسگر یا دستگاه کوانتومی نیز اعمال کرد». این سیستم مستقل خواهد بود و آشکارساز و منبع فرکانس دوم همه در یک دستگاه بسته بندی می شوند.

وانگ می گوید که از این سیستم می توان به عنوان مثال برای مشخص کردن جزئیات عملکرد آنتن مایکروویو استفاده کرد. او می‌گوید: «این می‌تواند توزیع میدان [تولید شده توسط آنتن] را با وضوح نانومقیاس مشخص کند، بنابراین در این جهت بسیار امیدوارکننده است».

راه‌های دیگری برای تغییر حساسیت فرکانس برخی از حسگرهای کوانتومی وجود دارد، اما این روش‌ها نیازمند استفاده از دستگاه‌های بزرگ و میدان‌های مغناطیسی قوی هستند که جزئیات دقیق را محو می‌کنند و دستیابی به وضوح بسیار بالایی را که سیستم جدید ارائه می‌دهد غیرممکن می‌سازد. وانگ می‌گوید امروزه در چنین سیستم‌هایی، «شما باید از یک میدان مغناطیسی قوی برای تنظیم حسگر استفاده کنید، اما این میدان مغناطیسی به طور بالقوه می‌تواند خواص کوانتومی مواد را بشکند، که می‌تواند بر پدیده‌هایی که می‌خواهید اندازه‌گیری کنید تأثیر بگذارد».

به گفته Cappellaro، این سیستم ممکن است کاربردهای جدیدی را در زمینه های زیست پزشکی باز کند، زیرا می تواند طیف وسیعی از فرکانس های فعالیت الکتریکی یا مغناطیسی را در سطح یک سلول در دسترس قرار دهد. او می‌گوید دریافت وضوح مفید چنین سیگنال‌هایی با استفاده از سیستم‌های سنجش کوانتومی فعلی بسیار دشوار است. ممکن است با استفاده از این سیستم بتوان سیگنال‌های خروجی از یک نورون را در پاسخ به برخی محرک‌ها شناسایی کرد، برای مثال، که معمولاً نویز زیادی را شامل می‌شود و جداسازی چنین سیگنال‌هایی را سخت می‌کند.

این سیستم همچنین می تواند برای توصیف جزئیات رفتار مواد عجیب و غریب مانند مواد دوبعدی که به شدت برای خواص الکترومغناطیسی، نوری و فیزیکی آنها مورد مطالعه قرار می گیرند، استفاده شود.

در کار در حال انجام، تیم در حال بررسی امکان یافتن راه‌هایی برای گسترش سیستم است تا بتواند طیفی از فرکانس‌ها را به طور همزمان بررسی کند، نه هدف‌گیری فرکانس واحد فعلی. آنها همچنین به تعریف قابلیت‌های سیستم با استفاده از دستگاه‌های سنجش کوانتومی قوی‌تر در آزمایشگاه لینکلن، جایی که برخی از اعضای تیم تحقیقاتی در آن مستقر هستند، ادامه خواهند داد.

این تیم شامل یی-شیانگ لیو در MIT و جنیفر شلوس، اسکات آلسید و دانیل براجه در آزمایشگاه لینکلن بودند. این کار توسط آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (دارپا) و Q-Diamond پشتیبانی شد.

– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت موسسه فناوری ماساچوست منتشر شد