检测磁场或电场中最微小变化的量子传感器已实现材料科学和基础物理学的精确测量。但是这些传感器只能检测到这些场的几个特定频率，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，使此类传感器能够检测任意频率，而不会丧失测量纳米级特征的能力。

量子传感器可以采取多种形式；它们本质上是一个系统，其中一些粒子处于如此微妙的平衡状态，以至于它们受到它们所暴露的场的微小变化的影响。这些可以采取中性原子、俘获离子和固态自旋的形式，使用这种传感器的研究发展迅速。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，例如实验量子存储器或计算设备。但是许多其他感兴趣的现象跨越的频率范围比今天的量子传感器可以检测到的要宽得多。

该团队设计的新系统，他们称之为量子混合器，使用一束微波将第二个频率注入探测器。这会将正在研究的场的频率转换为不同的频率（原始频率与添加信号频率之间的差异）该频率被调谐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完全定位在任何所需的频率上，而不会损失传感器的纳米级空间分辨率。

在他们的实验中，该团队使用了一种基于钻石中氮空位中心阵列的特定设备，这是一种广泛使用的量子传感系统，并成功地展示了使用频率为2.2 GHz（如果没有量子多路复用器，就不可能进行检测）。然后，他们通过推导基于 Floquet 理论的理论框架对该过程进行了详细分析，并在一系列实验中测试了该理论的数值预测。

王国庆

王国庆说，虽然他们的测试使用了这个特定的系统，但「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，检测器和第二频率的源都封装在一个设备中。

例如，该系统可用于详细描述微波天线的性能。「它可以以纳米级分辨率表征[由天线产生的]场的分布，因此在这个方向上非常有前途。」

量子混频示意图 | 图源：PRX

还有其他方法可以改变某些量子传感器的频率灵敏度，但这些方法需要使用大型设备和强磁场，这会模糊细节，并且无法实现新系统提供的超高分辨率。王国庆说，在今天的此类系统中，「您需要使用强磁场来调整传感器，但该磁场可能会破坏量子材料的特性，从而影响您想要测量的现象。」

有效哈密顿量的表征 | 图源：PRX

Cappellaro 表示，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水平上实现一系列频率的电或磁活动。她说，使用当前的量子传感系统很难获得对此类信号的有用分辨率。可以使用该系统检测来自单个神经元的输出信号以响应某些刺激，例如，这些刺激通常包含大量噪声，使得此类信号难以分离。

该系统还可用于详细描述奇异材料的行为，例如二维材料，这些材料的电磁、光学和物理特性正在被深入研究。

在正在进行的工作中，该团队正在探索寻找方法来扩展系统以能够同时探测一系列频率的可能性，而不是当前系统的单一频率目标。他们还将继续在林肯实验室使用更强大的量子传感设备来定义系统的功能。

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https://phys.org/news/2022-06-quantum-sensor-electromagnetic-frequency.html