En speciell typ av sensorer utnyttjar kvantegenskaper för att mäta svaga signaler på nivåer som skulle vara omöjliga att upptäcka med enbart klassiska sensorer. Sådana kvantsensorer används för närvarande för att studera cellernas inre funktioner och universums yttersta avgränsningar.
Särskilt lovande är fastfas-kvantsensorer, som kan fungera vid rumstemperatur. Tyvärr mäter de flesta fastfas-kvantsensorer idag endast en fysikalisk storhet åt gången – till exempel magnetfältet, temperaturen eller töjningen i ett material. Att försöka mäta både magnetfältet och temperaturen i ett material samtidigt gör att signalerna blandas ihop och mätningarna blir opålitliga.
Nu har forskare vid MIT skapat ett sätt att samtidigt mäta flera fysikaliska storheter med en fastfas-kvant sensor. De uppnådde detta genom att utnyttja sammanflätning, där partiklar korreleras till ett enda kvanttillstånd. I en ny artikel demonstrerade teamet sin metod i en vanlig kvant sensor vid rumstemperatur, där de mätte amplituden, frekvensen och fasen hos ett mikrovågsfält i en enda mätning. De visade också att metoden fungerar bättre än att mäta varje egenskap sekventiellt eller använda traditionella sensorer.
Forskarna säger att metoden skulle kunna möjliggöra kvantsensorer som kan fördjupa vår förståelse av hur atomer och elektroner beter sig inuti material och levande system som cancerceller.
”Kvantmultiparameterskattning har hittills mestadels varit teoretisk”, säger Takuya Isogawa, doktorand i kärnvetenskap och teknik och medförfattare till artikeln. ”Det har gjorts väldigt få experiment som faktiskt demonstrerar det, och det arbetet fokuserade på fotoner. Vi ville demonstrera multiparameterskattning i en mer tillämpningsorienterad uppställning: en fastfas-kvantsensor som används idag.”
Medförfattare till artikeln är Guoqing Wang, Ph.D. ’23, och MIT-doktoranden Boning Li. Övriga författare är de tidigare MIT-gäststudenterna Zhiyao Hu och Ayumi Kanamoto; doktoranden Shunsuke Nishimura vid Tokyos universitet; Haidong Yuan, professor vid Chinese University of Hong Kong; samt Paola Cappellaro, MIT:s Ford-professor i ingenjörsvetenskap, professor i kärnvetenskap och ingenjörsvetenskap samt fysik, och medlem av Research Laboratory of Electronics. Studien är publicerad i tidskriften PRX Quantum.
Kvanteffekter för mätning
Kvantsensorer utnyttjar kvanteffekter som sammanflätning, spintillstånd och superposition för att mäta förändringar i magnetfält, elektriska fält, gravitation, acceleration och mer. Därför kan de användas för att mäta aktiviteten hos enskilda molekyler på sätt som är användbara för att förstå biologi och rymden, till exempel genom att spåra aktiviteten hos metaboliter eller enzymer inuti celler.
En särskilt användbar sensor inom biologin utnyttjar så kallade kväve-vakans (NV)-centra i diamanter, en defekt där ett kolatom i diamantens kristallgitter ersätts av ett kväveatom och en angränsande plats i gitteret saknas, eller är vakant. Defekten rymmer en elektronisk spinn vars övergångsfrekvenser kan avläsas optiskt. NV-centrets spinnstatus är extremt känslig för yttre effekter, såsom magnetfält och temperatur, vilket kan förskjuta spinnstatusen på sätt som kan mätas med extremt hög upplösning.
Tyvärr förändrar olika yttre effekter spinnets energiresonanser på liknande sätt, vilket gör det svårt att mäta flera effekter samtidigt. Resultatet blir att de flesta tillämpningar av kvantsensorer i fast tillstånd mäter en enda fysikalisk storhet åt gången.
”Om man bara kan mäta en storhet åt gången måste man upprepa experimenten för att mäta storheterna en efter en”, säger Isogawa. ”Det tar längre tid, vilket innebär lägre känslighet. Det gör också experimenten mer känsliga för fel.”
För sitt experiment använde forskarna NV-centra inuti en diamant på 5 kvadratmillimeter. De riktade en laser mot diamanten och studerade dess fluorescens för att göra sina mätningar, en vanlig metod för sådana sensorer. För att studera det elektroniska spinn hos NV-centret använde de en mikrovågsantenn. För att studera spinn hos kväveatomen använde de ett radiofrekvensfält.
”Vi använde dessa två spinn som två kvantbitar”, säger Isogawa och hänvisar till byggstenarna i kvantdatorsystem. ”Om man bara har en kvantbit kan man bara mäta ett resultat: i princip 0 eller 1. Det är sannolikheten för att den snurrar uppåt eller nedåt. Tänk på det som ett myntkast, med sannolikheten att få krona eller klave. Med två kvantbitar ökade vi de parametrar vi kunde extrahera.”
Systemet fungerade eftersom spinnarna hos sensorkvanten och hjälpkvanten var sammanflätade, en kvantegenskap där en partikels tillstånd är beroende av en annan. Med en kvant får man ett binärt resultat. Med två får man fyra möjliga resultat med totalt tre möjliga parametrar.
De två kvantarna gjorde det möjligt för forskarna att mäta dessa tre storheter samtidigt med hjälp av en teknik som kallas Bell-tillståndsmätning.
Andra forskare hade använt Bell-tillståndsmätning vid extremt låga temperaturer tidigare, men forskarna vid MIT utvecklade en ny teknik för att utföra mätningen vid rumstemperatur. Den tekniken föreslogs först av Wang, som tidigare var doktorand i professor Cappellaros laboratorium.
Forskarna använde metoden för att samtidigt mäta amplituden, avstämningen och fasen hos ett mikrovågsmagnetfält. Forskarna säger också att metoden skulle kunna användas för att mäta elektriska fält, temperatur, tryck och töjning.
”Att mäta dessa parametrar samtidigt kan hjälpa oss att utforska spinnvågor i material, vilket är ett viktigt ämne inom fysiken för kondenserad materia”, säger Isogawa. ”NV-centersensorer har extremt hög rumslig upplösning och mångsidighet. De kan mäta många olika fysikaliska storheter.”
Mer praktisk kvantavkänning
Forskarna säger att detta arbete är ett viktigt steg mot att använda fastfas-kvantsensorer för att mer fullständigt karakterisera system inom biomedicinsk forskning och materialkarakterisering. Det beror på att multiparameterskattning aldrig tidigare har uppnåtts i realistiska miljöer eller i allmänt använda kvantsensorer.
”Det som gör NV-centerkvantsensorerna så speciella är att de kan fungera vid rumstemperatur”, säger Isogawa. ”De är mycket lämpliga för biologiska mätningar eller experiment inom kondenserad materiafysik.”
Även om forskarna säger att deras sensor inte mätte varje storhet med högsta möjliga precision, planerar de i framtida arbete att undersöka om deras metod kan uppnå högre precision för varje parameter.
De planerar också att undersöka hur deras metod fungerar för att karakterisera heterogena material.
”I en extremt enhetlig miljö skulle man kunna använda många olika klassiska och kvantmekaniska sensorer och mäta varje fysikalisk storhet samtidigt”, säger Isogawa. ”Men om de fysikaliska storheterna varierar på olika platser behöver man sensorer med hög rumslig upplösning, och man behöver en sensor som kan mäta flera fysikaliska storheter. Denna metod har stora fördelar i sådana situationer.”
Publikationsuppgifter
Takuya Isogawa et al, Entanglement-Assisted Multiparameter Estimation with a Solid-State Quantum Sensor, PRX Quantum (2026). DOI: 10.1103/kqfr-bbfx
Denna artikel återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som rapporterar om nyheter kring forskning, innovation och undervisning vid MIT.
