近日，麻省理工學院研究人員開發了一種方法，使量子傳感器能夠檢測任意頻率，并且依然具有在納米尺度上進行測量的能力。

圖片來自麻省理工學院(MIT)

目前，團隊已為新方法申請了專利保護。通過這一方法，能夠擴展超靈敏的納米級量子探測器的能力，并可潛在應用于量子計算和生物傳感領域。相關成果發表在《物理評論X》(Physical Review X)。

圖片來自《物理評論X》(Physical Review X)

據悉，量子傳感器本質上是其中一些粒子處于微妙平衡狀態的系統，即便是所在場產生微小變化，也會影響系統中粒子的狀態。量子傳感器可利用中性原子、被囚禁的離子和固態自旋等多種形式，采用這些傳感器的研究也得以迅速發展。例如，物理學家使用量子傳感器來研究物質的奇異狀態，包括時間晶體和拓撲相。但很多令科學家感興趣的物理現象仍會涉及較大頻率范圍，超過現有量子傳感器的探測范圍。

此次，由麻省理工學院核科學與工程學、物理學教授Paola Cappellaro團隊和隸屬于美國國防部的林肯實驗室人員設計出一個新系統，他們稱之為量子混合器(quantum mixer)，也可稱為量子混頻器。該混頻器通過一束微波向探測器射入第二個頻率，通過頻率的轉換，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。

在實驗中，研究團隊使用了一種基于金剛石中氮-空位色心陣列的特殊裝置。氮-空位色心（NV色心），是鉆石晶體結構中常見的點缺陷，由氮原子取代碳原子和相鄰空穴而形成，利用其在磁場中的量子順磁共振效應及熒光輻射特性可進行精密磁測量，可被廣泛應用于量子傳感。

(a)量子混頻原理圖，(b)電子自旋共振譜儀基于金剛石中氮-空位色心陣列探測結果，圖片來自論文

基于前述裝置，團隊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。以往如果不借助量子多路復用器，這是無法實現的。然后通過推導一個基于弗洛凱(Floquet)理論的理論框架，團隊對這一過程進行了細致分析，并在一系列實驗中測試了該理論的數值預測。弗洛凱理論是常微分方程理論的一種。

“同樣的原理也可以應用于任何類型的傳感器或量子設備。”論文第一作者、麻省理工學院研究生王國慶說道，“這一系統是獨立的，探測器和第二個頻率源都封裝在一個設備中。”

他表示，前述系統可以用于詳細描述微波天線的性能。工作于米波、厘米波、毫米波等波段的發射或接收天線，統稱為微波天線。“該系統能夠以納米級分辨率描述(由微波天線產生的)場的分布，所以它在這一領域很有前景。”

盡管其他方法也可以改變部分量子傳感器的頻率靈敏度，但均離不開大型設備和強磁場。而這些恰恰會降低精度，無法達到新系統所實現的超高分辨率。例如，用于調整傳感器的強磁場，可能會破壞量子材料的特性，從而影響想要測量的物理現象。

麻省理工學院教授Cappellaro表示，前述系統可能會在生物醫學領域產生新的應用，因為它可以在單個細胞水平上獲得一系列頻率的電、磁活動。“使用現有的量子傳感系統很難獲得這類信號的有用分辨率。”但新系統也許可以檢測出單個神經元對某些刺激做出反應時的輸出信號，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。新系統還可能用于詳細描述奇異材料的行為，例如二維材料的電磁、光學和物理性質。

目前，研究團隊正在探索如何擴展新系統，使其能夠同時探測一系列頻率，而不是單一頻率。他們還將繼續使用林肯實驗室的量子傳感設備來進一步確定新系統所具備的能力。