新思路让量子传感器能够检测任意频率电磁信号

　　量子计算机在理论上可以找到经典计算机无法解决的问题的答案一样，新兴的量子传感器也可以带来新的敏感度、新的应用种类，以及推动一系列领域、技术和科学探索的新机会。
 

　　量子传感器是根据量子力学规律、利用量子叠加量子纠缠和量子压缩等效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置，能够实现对各种信号场(如电场和磁场)的灵敏测量，并具有原子尺度的空间分辨率。量子传感器运用了量子态的极端敏感性，但要使它们切实可行、落地应用是一个极大的挑战。
 

　　据悉，量子传感器本质上是其中一些粒子处于微妙平衡状态的系统，即便是所在场产生微小变化，也会影响系统中粒子的状态。量子传感器可利用中性原子、被囚禁的离子和固态自旋等多种形式，采用这些传感器的研究也得以迅速发展。
 

　　物理学家使用量子传感器来研究物质的奇异状态，如时间晶体、拓扑相；以及用它们来表征实验量子存储器或计算设备等实用设备。然而，这些信号的可访问频率范围仍然受到传感器谐振频率或可实现的控制场幅度的限制，这是它们的实用性的一大障碍。
 

　　近日，麻省理工学院核科学与工程学、物理学教授Paola Cappellaro团队和隶属于美国国防部的林肯实验室人员设计出一个新系统，即量子混频器(quantum mixer)。在实验中，研究团队使用了一种基于金刚石中氮-空位色心阵列的特殊装置，利用其在磁场中的量子顺磁共振效应及荧光辐射特性可进行精密磁测量，可被广泛应用于量子传感。基于该装置，团队成功演示了如何使用频率为2.2千兆赫(GHz)的量子比特探测器，探测到频率为150兆赫(MHz)的信号。
 

　　该混频器通过一束微波向探测器射入第二个频率，通过频率的转换，使探测器能够定位到任何需要的频率，而不会损失传感器的纳米级空间分辨率。并且这一系统是独立的，探测器和第二个频率源都封装在一个设备中。该系统还能够以纳米级分辨率描述(由微波天线产生的)场的分布，在这一领域很有前景。
 

　　新系统可能会在生物医学领域产生新的应用，因为它能够在单个细胞水平上获得一系列频率的电、磁活动。并且新系统也许还能够检测出单个神经元对某些刺激做出反应时的输出信号，这些刺激通常会包含大量噪声，使得输出信号难以分离出来。新系统还可能用于详细描述奇异材料的行为，例如二维材料的电磁、光学和物理性质。
 

　　(资料来源：澎湃新闻)