麻省理工學(xué)院科學(xué)家研發(fā)量子混頻器可檢測任意頻率電磁信號(hào)

在材料和基礎(chǔ)物理等科學(xué)領(lǐng)域，有時(shí)需要對磁場或電場中的細(xì)微變化進(jìn)行精準(zhǔn)測量，量子傳感器在此方面能發(fā)揮巨大作用。

但目前能進(jìn)行高精度測量的量子傳感器在實(shí)用性上還存在一定局限，其只能對電磁場的某些特定頻率做檢測，而許多研究所涉及的頻率范圍比當(dāng)前量子傳感器可以檢測到的要寬得多。

值得一提的是，這種限制或?qū)⒑芸斐蔀檫^去時(shí)。麻省理工學(xué)院的科學(xué)家現(xiàn)在已研究出一種方法，允許部署量子傳感器來測量任何頻率的電磁輻射變化，且對納米級(jí)特征的敏感性不會(huì)下降。

使用量子混頻器檢測任意頻率場

近期，相關(guān)論文以《使用量子混頻器檢測任意頻率場》為題發(fā)表。

據(jù)了解，量子傳感器有多種形式，它們實(shí)際上是一種讓粒子處于特殊平衡狀態(tài)而獲得的系統(tǒng)，所以會(huì)受其所在電磁場微小變化的影響。

麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)此次研發(fā)的新設(shè)備被稱作量子混頻器，其能夠在確保納米級(jí)空間分辨率的情況下，完全適應(yīng)任何所需要測量的頻率。

在實(shí)現(xiàn)方法上，研究人員通過在單個(gè)傳感器中提供一種傳感任意頻率信號(hào)，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)相互作用時(shí)，場的頻率被轉(zhuǎn)移到兩個(gè)信號(hào)之間的差分上，從而允許將頻率調(diào)整到底層傳感器調(diào)諧的任何頻率。

具體來說，是使用微波束向量子傳感器加入另外一種頻率，將所測量場的頻率轉(zhuǎn)換成其他頻率（原始頻率與新引入頻率之間的差值）。該頻率即被調(diào)諧到量子傳感器準(zhǔn)備檢測的頻率。

據(jù)悉，研究人員采用的是基于金剛石中氮-空位中心陣列的特定設(shè)備來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他們利用2.2GHz的量子位探測器，成功對1 5 0 M H z信號(hào)進(jìn)行了測量。

沒有量子混頻器的幫助，該檢測是不可能完成的。一旦通過混頻器進(jìn)行調(diào)整，信號(hào)就會(huì)被完美地拾取，而無需對量子位傳感器進(jìn)行任何其他修改。

這種看似簡單的方法意味著量子傳感器可以檢測任何頻率的電磁輻射，而不會(huì)損失分辨率。

然后，該課題組還使用一個(gè)以弗洛凱理論為基礎(chǔ)的學(xué)術(shù)框架對研究進(jìn)行了詳細(xì)分析，且在多項(xiàng)試驗(yàn)中檢查了該框架的數(shù)值預(yù)測。

值得一提的是，雖然研究人員的實(shí)驗(yàn)使用了特定的系統(tǒng)，但該系統(tǒng)是獨(dú)立的，檢測器和第二頻率發(fā)生器都封裝在一個(gè)設(shè)備中。他們在麻省理工學(xué)院官網(wǎng)還提到：“該原理能夠應(yīng)用于任何類型的傳感器或量子設(shè)備。比如，可將其用于詳細(xì)表征微波天線的性能，實(shí)現(xiàn)以納米級(jí)分辨率表征由天線產(chǎn)生的場的分布。”

另外，據(jù)了解，還有一些方式能夠增加某些量子傳感器的頻率范圍，但會(huì)涉及到強(qiáng)磁場的使用，這會(huì)讓一些細(xì)節(jié)變得不清楚，無法實(shí)現(xiàn)本次研究中的超高分辨率。在麻省理工學(xué)院官網(wǎng)上，論文第一作者、麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程系的博士王國慶表示：“使用強(qiáng)磁場調(diào)整傳感器，可能會(huì)破壞量子材料的性質(zhì)，從而影響想要測量的現(xiàn)象?！?/p>

量子傳感器為研究人員提供了對亞原子世界的前所未有的洞察力，并具有豐富的潛在應(yīng)用，包括癌癥檢測、生物過程繪圖和地質(zhì)勘探，以及研究物質(zhì)的拓?fù)湎嗪汀皶r(shí)間晶體”等。量子傳感器最令人興奮的應(yīng)用也許是尋找量子材料或奇異材料，這些材料可以構(gòu)成大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。

據(jù)了解，本次研究或許會(huì)在生物醫(yī)學(xué)方面開辟新的研究領(lǐng)域。其可在單個(gè)細(xì)胞維度上進(jìn)行電或磁的頻率變化檢測，例如，測量神經(jīng)元對某些刺激信號(hào)的響應(yīng)。而取得這些信號(hào)的有意義分辨率，是目前量子傳感器極難做到的，它們很難對信號(hào)從噪聲中進(jìn)行分離。此外，量子混頻器還可用于對二維材料物理特性等的測量上，以及潛在的量子計(jì)算等方面用途。