量子传感器可以检测到任何频率的电磁信号

量子传感器可以探测磁场或电场中最微小的变化，使材料科学和基础物理学的精确测量成为可能。但这些传感器只能探测到这些磁场的几个特定频率，限制了它们的用途。现在，麻省理工学院的研究人员开发了一种方法，使这种传感器能够检测任意频率，而不会失去测量纳米尺度特征的能力。

该团队已经为这种新方法申请了专利保护，在《物理评论X》杂志上由研究生王国庆、核科学与工程教授、物理学教授保拉·卡佩拉罗(Paola Cappellaro)以及麻省理工学院和林肯实验室的其他四人撰写的一篇论文中描述了这种方法。

量子传感器可以有多种形式;它们本质上是这样的系统，其中一些粒子处于微妙的平衡状态，即使它们暴露在电场中的微小变化也会影响它们。它们可以以中性原子、捕获离子和固态自旋的形式存在，使用这种传感器的研究迅速发展。例如，物理学家使用它们来研究物质的奇异状态，包括所谓的时间晶体和拓扑相，而其他研究人员则使用它们来表征实际设备，如实验量子存储器或计算设备。但许多其他令人感兴趣的现象跨越的频率范围比今天的量子传感器能探测到的要宽得多。

该团队设计的新系统被称为量子混合器，它使用一束微波向探测器注入第二个频率。这将被研究的场的频率转换成不同的频率——原始频率和附加信号的频率之差——调整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在任何想要的频率上定位，而不会损失传感器的纳米尺度空间分辨率。

在他们的实验中，研究团队使用了一种基于金刚石中氮空位中心阵列的特定设备，这是一种广泛应用的量子传感系统，并成功地演示了探测频率为150兆赫的信号，使用频率为2.2千兆赫的量子比特探测器——如果没有量子多路复用器，这种探测是不可能的。然后，他们通过推导一个基于Floquet理论的理论框架，对这个过程进行了详细的分析，并在一系列实验中测试了该理论的数值预测。

虽然他们的测试使用的是这种特定的系统，但王说，“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，探测器和第二个频率的源都封装在一个单一的设备。

王说，这个系统可以用于，例如，详细描述微波天线的性能。他说:“它可以用纳米级的分辨率描述(由天线产生的)场的分布，所以它在这个方向上很有前途。”

还有其他方法可以改变一些量子传感器的频率灵敏度，但这需要使用大型设备和强磁场，从而模糊了细节，使其无法实现新系统提供的非常高的分辨率。在今天的这种系统中，王说，“你需要使用一个强磁场来调整传感器，但这个磁场可能会破坏量子材料的特性，从而影响你想要测量的现象。”

根据卡佩拉罗的说法，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获得一系列频率的电或磁活动。她说，使用目前的量子传感系统很难获得这类信号的有用分辨率。例如，利用这个系统可以检测单个神经元对某些刺激做出反应时的输出信号，这些刺激通常包含大量噪声，使得这些信号很难分离出来。

该系统还可以用于详细描述奇异材料的行为，如二维材料，这些材料的电磁、光学和物理性质正在被广泛研究。

在目前的工作中，该团队正在探索扩大该系统的可能性，使其能够同时探测一系列频率，而不是目前系统的单一频率目标。他们还将继续使用林肯实验室更强大的量子传感设备来定义该系统的能力，该研究团队的一些成员就位于林肯实验室。

该团队包括麻省理工学院的刘义祥和林肯实验室的詹妮弗·施洛斯、斯科特·阿尔希德和丹妮尔·布拉杰。这项工作得到了国防高级研究计划局(DARPA)和Q-Diamond的支持。