麻省理工學(xué)院新技術(shù)讓室溫量子傳感器可同時(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)

研究人員利用量子糾纏，一次性測(cè)得了微波的幅度、頻率和相位。

麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種新型固態(tài)量子傳感器，能夠同時(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)。這一方法有望增進(jìn)我們對(duì)材料與生命系統(tǒng)內(nèi)部原子和電子的理解。

量子傳感器能測(cè)量系統(tǒng)組件的性質(zhì)，其精度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)傳感器。它們通過探測(cè)微小的量子信號(hào)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這些信號(hào)既能揭示細(xì)胞內(nèi)部的工作機(jī)制，也能洞察宇宙深處的奧秘。更令人稱道的是，量子傳感器可在室溫下工作。

不同于其他需要在接近絕對(duì)零度條件下運(yùn)行的量子應(yīng)用，量子傳感器能夠在室溫下工作，實(shí)用性極強(qiáng)。然而，此類傳感器此前一直存在一個(gè)重大局限——一次只能測(cè)量一個(gè)參數(shù)。如今，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種可同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)量的方法。

量子傳感器的工作原理

量子傳感器利用糾纏、自旋態(tài)和疊加等量子特性，來測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部的電場(chǎng)、重力、加速度、磁場(chǎng)等參數(shù)。

其中一種傳感器使用金剛石中的氮空位中心進(jìn)行測(cè)量。在此設(shè)置中，氮作為缺陷被引入金剛石晶格，且相鄰的一個(gè)晶格位點(diǎn)是空缺的。

該缺陷允許對(duì)電子自旋進(jìn)行光學(xué)讀出，而電子自旋對(duì)磁場(chǎng)或溫度的變化十分敏感。這便促成了高分辨率測(cè)量。然而，自旋共振的變化可能由多種因素引起，因此很難同時(shí)測(cè)量它們。

“如果你一次只能測(cè)量一個(gè)量，那就必須一遍遍地重復(fù)實(shí)驗(yàn)，逐個(gè)測(cè)量。”麻省理工學(xué)院核科學(xué)專業(yè)研究生磯川拓也解釋道，“這會(huì)耗費(fèi)更多時(shí)間，也意味著靈敏度更低。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)也更容易出錯(cuò)。”

麻省理工學(xué)院研究人員的解決方案

在實(shí)驗(yàn)裝置中，麻省理工學(xué)院的研究人員使用激光測(cè)量氮空位中心的熒光，并用微波天線測(cè)量其電子自旋。此外，他們還利用射頻場(chǎng)測(cè)量氮原子的自旋，從而增加了可用于測(cè)量的量子比特?cái)?shù)量。

通過一種名為“貝爾態(tài)測(cè)量”的技術(shù)，兩個(gè)量子比特實(shí)現(xiàn)了對(duì)三個(gè)參數(shù)的同時(shí)測(cè)量。由于傳感器量子比特與其輔助量子比特的自旋處于糾纏態(tài)，該系統(tǒng)十分可靠。

麻省理工學(xué)院的研究人員一次性測(cè)得了微波磁場(chǎng)的幅度、失諧量和相位，并且確信該系統(tǒng)未來還可用于測(cè)量電場(chǎng)、溫度、壓力和應(yīng)變。

“氮空位中心傳感器具有極高的空間分辨率和多功能性。它能測(cè)量眾多不同的物理量。”磯川拓也在新聞稿中補(bǔ)充道，“氮空位中心量子傳感器真正特別之處在于它們能在室溫下工作，非常適用于生物測(cè)量或凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)。”

研究人員承認(rèn)，這些測(cè)量目前尚缺乏高精度，他們計(jì)劃在未來的工作中解決這一問題。此外，他們還希望利用量子傳感器來表征非均質(zhì)材料。

該研究成果已發(fā)表于《PRX Quantum》期刊。

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