麻省理工學院新技術讓室溫量子傳感器可同時測量多個參數

研究人員利用量子糾纏，一次性測得了微波的幅度、頻率和相位。

麻省理工學院的研究人員開發出一種新型固態量子傳感器，能夠同時測量多個參數。這一方法有望增進我們對材料與生命系統內部原子和電子的理解。

量子傳感器能測量系統組件的性質，其精度遠超傳統傳感器。它們通過探測微小的量子信號實現這一目標，這些信號既能揭示細胞內部的工作機制，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零度條件下運行的量子應用，量子傳感器能夠在室溫下工作，實用性極強。然而，此類傳感器此前一直存在一個重大局限——一次只能測量一個參數。如今，麻省理工學院的研究人員開發出了一種可同時進行多項測量的方法。

量子傳感器的工作原理

量子傳感器利用糾纏、自旋態和疊加等量子特性，來測量系統內部的電場、重力、加速度、磁場等參數。

其中一種傳感器使用金剛石中的氮空位中心進行測量。在此設置中，氮作為缺陷被引入金剛石晶格，且相鄰的一個晶格位點是空缺的。

該缺陷允許對電子自旋進行光學讀出，而電子自旋對磁場或溫度的變化十分敏感。這便促成了高分辨率測量。然而，自旋共振的變化可能由多種因素引起，因此很難同時測量它們。

“如果你一次只能測量一個量，那就必須一遍遍地重復實驗，逐個測量。”麻省理工學院核科學專業研究生磯川拓也解釋道，“這會耗費更多時間，也意味著靈敏度更低。同時，實驗也更容易出錯。”

麻省理工學院研究人員的解決方案

在實驗裝置中，麻省理工學院的研究人員使用激光測量氮空位中心的熒光，并用微波天線測量其電子自旋。此外，他們還利用射頻場測量氮原子的自旋，從而增加了可用于測量的量子比特數量。

通過一種名為“貝爾態測量”的技術，兩個量子比特實現了對三個參數的同時測量。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，該系統十分可靠。

麻省理工學院的研究人員一次性測得了微波磁場的幅度、失諧量和相位，并且確信該系統未來還可用于測量電場、溫度、壓力和應變。

“氮空位中心傳感器具有極高的空間分辨率和多功能性。它能測量眾多不同的物理量。”磯川拓也在新聞稿中補充道，“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，非常適用于生物測量或凝聚態物理實驗。”

研究人員承認，這些測量目前尚缺乏高精度，他們計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材料。

該研究成果已發表于《PRX Quantum》期刊。

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