양자 센서는 모든 주파수의 전자기 신호를 감지할 수 있습니다.

양자 센서는 모든 주파수의 전자기 신호를 감지할 수 있습니다.
엔지니어는 양자 컴퓨팅 및 생물학적 감지에 대한 잠재적인 사용을 통해 이러한 초고감도 나노 스케일 검출기의 기능을 확장합니다.
날짜:
2022년 6월 21일
원천:
매사추세츠 공과 대학
요약:
연구원들은 양자 센서가 나노미터 규모의 특징을 측정하는 능력의 손실 없이 임의의 주파수를 감지할 수 있도록 하는 방법을 개발했습니다. 양자 센서는 자기장 또는 전기장의 가장 미세한 변화를 감지하지만 지금까지는 몇 가지 특정 주파수만 감지할 수 있어 유용성이 제한되었습니다.

자기장 또는 전기장의 가장 미세한 변화를 감지하는 양자 센서는 재료 과학 및 기초 물리학에서 정밀 측정을 가능하게 했습니다. 그러나 이러한 센서는 이러한 필드의 몇 가지 특정 주파수만 감지할 수 있어 유용성이 제한됩니다. 이제 MIT의 연구원들은 이러한 센서가 나노미터 규모의 특징을 측정하는 능력의 손실 없이 임의의 주파수를 감지할 수 있도록 하는 방법을 개발했습니다.

팀이 이미 특허 보호를 신청한 새로운 방법은 대학원생 Guoqing Wang, 물리학 교수 Paola Cappellaro 및 MIT의 다른 4명의 논문에서 Physical Review X 저널에 설명되어 있습니다. 그리고 링컨 연구소.

양자 센서는 다양한 형태를 취할 수 있습니다. 그들은 본질적으로 일부 입자가 섬세하게 균형 잡힌 상태에 있기 때문에 노출되는 필드의 작은 변화에도 영향을 받는 시스템입니다. 이들은 중성 원자, 갇힌 이온 및 고체 스핀의 형태를 취할 수 있으며 이러한 센서를 사용하는 연구가 빠르게 성장했습니다. 예를 들어, 물리학자들은 이를 사용하여 소위 시간 결정 및 위상 위상을 포함한 물질의 이국적인 상태를 조사하는 반면, 다른 연구자들은 실험적 양자 메모리 또는 계산 장치와 같은 실용적인 장치를 특성화하는 데 사용합니다. 그러나 다른 많은 관심 현상은 오늘날의 양자 센서가 감지할 수 있는 것보다 훨씬 더 넓은 주파수 범위에 걸쳐 있습니다.

연구팀이 고안한 새로운 시스템(양자 혼합기)은 마이크로파 빔을 사용하여 감지기에 두 번째 주파수를 주입합니다. 이것은 연구 중인 필드의 주파수를 다른 주파수(원래 주파수와 추가된 신호의 주파수 차이)로 변환합니다. 이 주파수는 검출기가 가장 민감한 특정 주파수로 조정됩니다. 이 간단한 프로세스를 통해 센서의 나노스케일 공간 분해능 손실 없이 검출기가 원하는 주파수로 귀환할 수 있습니다.

그들의 실험에서 팀은 널리 사용되는 양자 감지 시스템인 다이아몬드의 질소-공백 중심 배열을 기반으로 하는 특정 장치를 사용하고 2.2 기가헤르츠 -- 양자 멀티플렉서 없이는 불가능한 탐지. 그런 다음 그들은 Floquet 이론에 기반한 이론적 틀을 도출하고 일련의 실험에서 해당 이론의 수치적 예측을 테스트함으로써 프로세스에 대한 상세한 분석을 수행했습니다.

그들의 테스트는 이 특정 시스템을 사용했지만 Wang은 "모든 종류의 센서 또는 양자 장치에도 동일한 원리를 적용할 수 있습니다."라고 말합니다. 이 시스템은 단일 장치에 패키지된 두 번째 주파수의 감지기와 소스가 있는 독립형입니다.

Wang은 이 시스템이 예를 들어 마이크로파 안테나의 성능을 자세히 특성화하는 데 사용될 수 있다고 말합니다. "이것은 나노 스케일 해상도로 [안테나에 의해 생성된] 필드의 분포를 특성화할 수 있으므로 해당 방향에서 매우 유망합니다."라고 그는 말했습니다.

일부 양자 센서의 주파수 감도를 변경하는 다른 방법이 있지만, 이를 위해서는 미세한 세부 사항을 흐리게 하고 새로운 시스템이 제공하는 매우 높은 해상도를 달성하는 것을 불가능하게 만드는 큰 장치와 강한 자기장을 사용해야 합니다. 오늘날 그러한 시스템에서 Wang은 "센서를 조정하기 위해 강한 자기장을 사용해야 하지만 그 자기장은 잠재적으로 양자 물질 속성을 깨뜨릴 수 있으며, 이는 측정하려는 현상에 영향을 미칠 수 있습니다."라고 말합니다.

Cappellaro에 따르면 이 시스템은 단일 세포 수준에서 전기 또는 자기 활동의 주파수 범위에 접근할 수 있기 때문에 생물 의학 분야의 새로운 응용 분야를 열 수 있습니다. 현재의 양자 감지 시스템을 사용하여 그러한 신호의 유용한 분해능을 얻는 것은 매우 어려울 것이라고 그녀는 말합니다. 이 시스템을 사용하여 일부 자극에 대한 응답으로 단일 뉴런의 출력 신호를 감지하는 것이 가능할 수 있습니다.

이 시스템은 또한 전자기, 광학 및 물리적 특성에 대해 집중적으로 연구되고 있는 2D 재료와 같은 이국적인 재료의 거동을 자세히 특성화하는 데 사용할 수 있습니다.

진행 중인 작업에서 팀은 현재 시스템의 단일 주파수 대상 지정이 아닌 한 번에 주파수 범위를 조사할 수 있도록 시스템을 확장하는 방법을 찾는 가능성을 모색하고 있습니다. 그들은 또한 연구팀의 일부 구성원이 기반을 두고 있는 Lincoln 연구소에서 보다 강력한 양자 감지 장치를 사용하여 시스템의 기능을 계속 정의할 것입니다.