Квантовый датчик может обнаруживать электромагнитные сигналы любой частоты

Квантовые и, обнаруживающие мельчайшие изменения магнитных или электрических полей, сделали возможными точные измерения в материаловедении и фундаментальной физике. Но эти датчики были способны обнаруживать только несколько определенных частот этих полей, что ограничивало их полезность. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института разработали метод, позволяющий таким датчикам обнаруживать любую произвольную частоту без потери их способности измерять характеристики нанометрового масштаба.


Новый метод, на который команда уже подала заявку на патентную защиту, описан в журнале Физический обзор Xв статье аспиранта Гоцина Вана, профессора ядерной науки и техники, а также физики Паолы Каппелларо и еще четырех человек из Массачусетского технологического института и лаборатории Линкольна.

Квантовые датчики могут принимать разные формы; по сути, это системы, в которых некоторые частицы находятся в настолько тонко сбалансированном состоянии, что на них влияют даже крошечные изменения в полях, которым они подвергаются. Они могут принимать форму нейтральных атомов, захваченных ионов и твердотельных спинов, и исследования с использованием таких датчиков быстро развиваются. Например, физики используют их для изучения экзотических состояний материи, включая так называемые кристаллы времени и топологические фазы, в то время как другие исследователи используют их для характеристики практических устройств, таких как экспериментальная квантовая память или вычислительные устройства. Но многие другие интересные явления охватывают гораздо более широкий диапазон частот, чем могут обнаружить современные квантовые датчики.

Новая система, разработанная командой, которую они назвали квантовым смесителем, вводит вторую частоту в детектор с помощью луча микроволн. Это преобразует частоту исследуемого поля в другую частоту — разницу между исходной частотой и частотой добавленного сигнала — которая настроена на определенную частоту, к которой детектор наиболее чувствителен. Этот простой процесс позволяет детектору ориентироваться на любую желаемую частоту без потери наноразмерного пространственного разрешения датчика.

В своих экспериментах команда использовала специальное устройство, основанное на массиве азотно-вакансионных центров в алмазе, широко используемую систему квантовых датчиков, и успешно продемонстрировала обнаружение сигнала с частотой 150 мегагерц, используя детектор кубитов с частотой 2,2 гигагерца — обнаружение, которое было бы невозможно без квантового мультиплексора. Затем они провели подробный анализ процесса, разработав теоретическую основу, основанную на теории Флоке, и проверили численные предсказания этой теории в серии экспериментов.

В то время как в их тестах использовалась эта конкретная система, Ван говорит, что «тот же принцип можно применить к любому типу датчиков или квантовых устройств». Система будет автономной, с детектором и источником второй частоты, объединенными в одном устройстве.

Ван говорит, что эту систему можно использовать, например, для подробной характеристики работы микроволновой антенны. «Он может характеризовать распределение поля [generated by the antenna] с наноразмерным разрешением, так что это очень перспективно в этом направлении», — говорит он.

Существуют и другие способы изменения частотной чувствительности некоторых квантовых датчиков, но они требуют использования больших устройств и сильных магнитных полей, которые размывают мелкие детали и делают невозможным достижение очень высокого разрешения, которое предлагает новая система. В таких системах сегодня, говорит Ван, «для настройки датчика необходимо использовать сильное магнитное поле, но это магнитное поле потенциально может нарушить квантовые свойства материала, что может повлиять на явления, которые вы хотите измерить».

По словам Каппелларо, система может открыть новые области применения в биомедицинских областях, потому что она может сделать доступным диапазон частот электрической или магнитной активности на уровне отдельной клетки. По ее словам, было бы очень сложно получить полезное разрешение таких сигналов с использованием современных систем квантового зондирования. Возможно использование этой системы для обнаружения выходных сигналов от одного нейрона в ответ, например, на какой-либо стимул, который обычно включает много шума, что затрудняет выделение таких сигналов.