MIT中国博士生开发了新型量子传感器，可以检测任意频率的电磁信号
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利用量子相干性和纠缠的力量，量子传感器实现了对各种信号场（如电场和磁场）的灵敏测量，并具有原子尺度的空间分辨率。物理学家使用它们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。
为此，麻省理工学院（MIT）Paola Cappellaro教授团队开发了新方法：使用基于相同量子器件的集成传感器和混频器来感测任意频率的信号场，而不会失去测量纳米级特征的能力。
具体来说，团队利用周期性驱动（Floquet）量子系统中的非线性效应来实现信号的量子频率混合和施加的偏置交流场。并进一步表明，混频可以区分振荡信号场的矢量分量，从而实现任意频率的矢量磁力测量。最后，用金刚石中的氮-空位色心实验证明了量子混频器传感技术的多功能性，以感测150 MHz信号场。
6月17日，研究成果以《使用量子混频器感测任意频率场》为题发表在《物理评论X》杂志上[1]。
MIT中国博士生王国庆为论文第一作者兼通信作者，另一位中国博士生刘仪襄也参与了这项工作。其他三位合著者来自林肯实验室。
使量子传感器能够测量任意频率场的策略是将场的频率转换为传感器可访问的频率，这种转换可以通过使用称为“混频器”的电路将信号场与偏置场相结合来实现。但该电路会降低传感器的空间分辨率，MIT团队通过在传感器中使用量子比特来执行频率混频的量子模拟，从而避免了这个问题：当偏置场施加到量子比特时，量子比特将信号场的频率转换为可访问的频率。
具体来说，该团队设计了一个叫做“量子混频器”（Quantum Mixer）的新系统，使用了微波束向探测器注入第二个频率[2]。这一操作将被研究场的频率转换为不同的频率，即原始频率与添加信号之间的差值，该频率被调谐到探测器最敏感的特定频率。这个简单的过程使探测器能够完全适应任何所需的频率，而不会损失传感器的纳米级空间分辨率。
（a）量子混频原理图。有效哈密顿量（红色）来自信号（紫色）和偏置（绿色）哈密顿量的频率混合。有效哈密顿频率ωT可以通过实验进行探测。（b）探测电子自旋共振（ESR）实验ωT使用NV色心的集合。研究人员扫描偏置场频率ωb检测信号场在ωs=(2π)150 MHz，尽管这不在典型传感方法的可访问范围内。最后观察到当下变频频率时产生谐振ωT=±(ωs−ωb)匹配探测驱动器振幅Ω=(2π)3 MHz。
接下来可以使用成熟的传感技术分析信号场。实验中，团队使用了一种基于金刚石氮-空位色心阵列的特定设备作为量子传感系统，并利用量子多路复用器成功演示了使用频率为2.2 GHz的量子比特探测器检测频率为150 MHz的信号。然后，通过推导基于Floquet理论的理论框架，团队对该过程进行了详细分析，在一系列实验中测试了该理论的数值预测。
Floquet理论预测的有效哈密顿量表征。（a）示意图，显示由虚拟Floquet状态介导的拉比振荡和交流斯塔克位移（AC Stark Shift）。（b）固定时间t=1.875μs时|0⟩态量子比特布居数与偏置场频率的函数关系，类似于电子自旋共振（ESR）实验。（c）共振条件下，信号作为时间的函数。
矢量交流磁力测量。（a）量子混频矢量交流磁力测量原理。（b）实验顺序。（c）环境、辐射监测测量。（d）共振条件下的时间演进测量。（e）不同偏置幅度下的信号幅度扫描。纵向分量检测的拉比频率作为三种不同偏置场幅度下信号幅度的函数进行测量。不同偏置幅度下信号扫描的斜率绘制在插图中，并适合线性趋势。（f）测量的相干时间T2ρρ在旋转坐标系中测量由有效横向和纵向信号引起的时间演变。
王国庆表示，“同样的原理也可以应用于任何类型的传感器或量子设备。该系统将是独立的，探测器和第二频率源全部封装在一个设备中。”谈到这一系统的潜在用途，王国庆表示其可用于详细表征微波天线的性能：“它可以以纳米级分辨率表征[由天线产生的]场的分布，因此在这个方向上非常有希望。”
MIT博士生王国庆
其他方法也可以改变某些量子传感器的频率灵敏度，但这些方法需要使用大型设备和强磁场——这些设备会模糊细节，因而无法实现新系统提供的非常高分辨率。对此，王国庆表示，“现在的这个系统需要使用强磁场来调整传感器，但磁场可能会破坏量子材料的性质，这可能影响你想要测量的现象。”
麻省理工学院的工程师扩展了这些超灵敏纳米级探测器的功能，并具有量子计算和生物传感的潜在用途。
Paola Cappellaro教授表示，该系统可能会在生物医学领域开辟新的应用，因为它可以在单个细胞的水平上提供一系列频率的电或磁活动。使用当前的量子传感系统很难获得这些信号的有用分辨率，可以使用该新系统来检测来自单个神经元的输出信号以响应某些刺激：例如，通常包括大量噪声的刺激会使得信号难以隔离。
该系统还可用于详细表征特殊材料的行为，例如正在深入研究其电磁、光学和物理特性的二维材料。
在接下来的工作中，该团队正在探索扩展该系统方法的可能性，以便能够一次探测一个频率范围，而不是当前系统的单一频率目标。未来，该团队将继续使用林肯实验室更强大的量子传感设备来定义系统的功能。
参考链接：
[1]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.021061
[2]https://news.mit.edu/2022/quantum-sensor-frequency-0621