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新思路讓量子傳感器能夠檢測任意頻率電磁信號

2022-06-24 09:53:36來源：化工儀器網(wǎng) 閱讀量：156 評論

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　　量子計(jì)算機(jī)在理論上可以找到經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題的答案一樣，新興的量子傳感器也可以帶來新的敏感度、新的應(yīng)用種類，以及推動一系列領(lǐng)域、技術(shù)和科學(xué)探索的新機(jī)會。
 
　　量子傳感器是根據(jù)量子力學(xué)規(guī)律、利用量子疊加量子糾纏和量子壓縮等效應(yīng)設(shè)計(jì)的、用于執(zhí)行對系統(tǒng)被測量進(jìn)行變換的物理裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對各種信號場(如電場和磁場)的靈敏測量，并具有原子尺度的空間分辨率。量子傳感器運(yùn)用了量子態(tài)的極端敏感性，但要使它們切實(shí)可行、落地應(yīng)用是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。
 
　　據(jù)悉，量子傳感器本質(zhì)上是其中一些粒子處于微妙平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，即便是所在場產(chǎn)生微小變化，也會影響系統(tǒng)中粒子的狀態(tài)。量子傳感器可利用中性原子、被囚禁的離子和固態(tài)自旋等多種形式，采用這些傳感器的研究也得以迅速發(fā)展。
 
　　物理學(xué)家使用量子傳感器來研究物質(zhì)的奇異狀態(tài)，如時(shí)間晶體、拓?fù)湎?；以及用它們來表征?shí)驗(yàn)量子存儲器或計(jì)算設(shè)備等實(shí)用設(shè)備。然而，這些信號的可訪問頻率范圍仍然受到傳感器諧振頻率或可實(shí)現(xiàn)的控制場幅度的限制，這是它們的實(shí)用性的一大障礙。
 
　　近日，麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程學(xué)、物理學(xué)教授Paola Cappellaro團(tuán)隊(duì)和隸屬于美國國防部的林肯實(shí)驗(yàn)室人員設(shè)計(jì)出一個(gè)新系統(tǒng)，即量子混頻器(quantum mixer)。在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)使用了一種基于金剛石中氮-空位色心陣列的特殊裝置，利用其在磁場中的量子順磁共振效應(yīng)及熒光輻射特性可進(jìn)行精密磁測量，可被廣泛應(yīng)用于量子傳感?；谠撗b置，團(tuán)隊(duì)成功演示了如何使用頻率為2.2千兆赫(GHz)的量子比特探測器，探測到頻率為150兆赫(MHz)的信號。
 
　　該混頻器通過一束微波向探測器射入第二個(gè)頻率，通過頻率的轉(zhuǎn)換，使探測器能夠定位到任何需要的頻率，而不會損失傳感器的納米級空間分辨率。并且這一系統(tǒng)是獨(dú)立的，探測器和第二個(gè)頻率源都封裝在一個(gè)設(shè)備中。該系統(tǒng)還能夠以納米級分辨率描述(由微波天線產(chǎn)生的)場的分布，在這一領(lǐng)域很有前景。
 
　　新系統(tǒng)可能會在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生新的應(yīng)用，因?yàn)樗軌蛟趩蝹€(gè)細(xì)胞水平上獲得一系列頻率的電、磁活動。并且新系統(tǒng)也許還能夠檢測出單個(gè)神經(jīng)元對某些刺激做出反應(yīng)時(shí)的輸出信號，這些刺激通常會包含大量噪聲，使得輸出信號難以分離出來。新系統(tǒng)還可能用于詳細(xì)描述奇異材料的行為，例如二維材料的電磁、光學(xué)和物理性質(zhì)。
 
　　(資料來源：澎湃新聞)
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