एमआईटी क्वांटम सेंसर किसी भी आवृत्ति के विद्युत चुम्बकीय संकेतों का पता लगा सकता है

कस्बा

सार भौतिकी प्रौद्योगिकी सेंसर अवधारणा

MIT के वैज्ञानिकों ने ऐसे क्वांटम सेंसर को किसी भी मनमानी आवृत्ति का पता लगाने में सक्षम बनाने के लिए एक विधि विकसित की है, जिसमें नैनोमीटर-स्केल सुविधाओं को मापने की उनकी क्षमता का कोई नुकसान नहीं है।

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With the ability to detect the most minute variations in magnetic or electrical fields, quantum sensors have enabled precision measurements in materials science and fundamental physics. However, these sensors have limited usefulness because they are only been capable of detecting a few specific frequencies of these fields. Now, MIT researchers have developed a method to enable such sensors to detect any arbitrary frequency, with no loss of their ability to measure nanometer-scale features.

The new method is described in a paper published in the journal Physical Review X by graduate student Guoqing Wang, professor of nuclear science and engineering and of physics Paola Cappellaro, and four others at MIT and Lincoln Laboratory. The team has already applied for patent protection for the new method.

Although quantum sensors can take many forms, at their essence they’re systems in which some particles are in such a delicately balanced state that they are affected by even tiny variations in the fields they are exposed to. These can take the form of neutral atoms, trapped ions, and solid-state spins, and research using such sensors has grown rapidly. For example, physicists use them to investigate exotic states of matter, including so-called time crystals and topological phases, while other scientists use them to characterize practical devices such as experimental quantum memory or computation devices. However, many other phenomena of interest span a much broader frequency range than today’s quantum sensors can detect.

Quantum Sensor Can Detect Electromagnetic Signals of Any Frequency

MIT researchers have developed a method to enable quantum sensors to detect any arbitrary frequency, with no loss of their ability to measure nanometer-scale features. Quantum sensors detect the most minute variations in magnetic or electrical fields, but until now they have only been capable of detecting a few specific frequencies, limiting their usefulness. Credit: Guoqing Wang

The new system the team devised, which they call a quantum mixer, injects a second frequency into the detector using a beam of microwaves. This converts the frequency of the field being studied into a different frequency — the difference between the original frequency and that of the added signal — which is tuned to the specific frequency that the detector is most sensitive to. This simple process enables the detector to home in on any desired frequency at all, with no loss in the nanoscale spatial resolution of the sensor.

In their experiments, the team used a specific device based on an array of nitrogen-vacancy centers in diamond, a widely used quantum sensing system, and successfully demonstrated the detection of a signal with a frequency of 150 megahertz, using a qubit detector with a frequency of 2.2 gigahertz — a detection that would be impossible without the quantum multiplexer. They then did detailed analyses of the process by deriving a theoretical framework, based on Floquet theory, and testing the numerical predictions of that theory in a series of experiments.

While their tests used this specific system, Wang says, “the same principle can be also applied to any kind of sensors or quantum devices.” The system would be self-contained, with the detector and the source of the second frequency all packaged in a single device.

Wang says that this system could be used, for example, to characterize in detail the performance of a microwave antenna. “It can characterize the distribution of the field [generated by the antenna] नैनोस्केल रिज़ॉल्यूशन के साथ, इसलिए यह उस दिशा में बहुत आशाजनक है, ”वे कहते हैं।

कुछ क्वांटम सेंसर की आवृत्ति संवेदनशीलता को बदलने के अन्य तरीके हैं, लेकिन इनके लिए बड़े उपकरणों और मजबूत चुंबकीय क्षेत्रों के उपयोग की आवश्यकता होती है जो बारीक विवरणों को धुंधला कर देते हैं और नई प्रणाली द्वारा प्रदान किए जाने वाले उच्च रिज़ॉल्यूशन को प्राप्त करना असंभव बनाते हैं। ऐसी प्रणालियों में आज, वांग कहते हैं, “आपको सेंसर को ट्यून करने के लिए एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करने की आवश्यकता है, लेकिन वह चुंबकीय क्षेत्र संभावित रूप से क्वांटम भौतिक गुणों को तोड़ सकता है, जो उस घटना को प्रभावित कर सकता है जिसे आप मापना चाहते हैं।”

कैपेलारो के अनुसार, सिस्टम बायोमेडिकल क्षेत्रों में नए अनुप्रयोगों को खोल सकता है, क्योंकि यह एकल कोशिका के स्तर पर विद्युत या चुंबकीय गतिविधि की आवृत्तियों की एक श्रृंखला को सुलभ बना सकता है। वह कहती हैं कि मौजूदा क्वांटम सेंसिंग सिस्टम का उपयोग करके ऐसे संकेतों का उपयोगी समाधान प्राप्त करना बहुत मुश्किल होगा। कुछ उत्तेजनाओं के जवाब में एकल न्यूरॉन से आउटपुट संकेतों का पता लगाने के लिए इस प्रणाली का उपयोग करना संभव हो सकता है, उदाहरण के लिए, जिसमें आम तौर पर बहुत अधिक शोर शामिल होता है, जिससे ऐसे संकेतों को अलग करना मुश्किल हो जाता है।

इस प्रणाली का उपयोग विदेशी सामग्रियों जैसे कि 2डी सामग्रियों के व्यवहार को विस्तार से वर्णित करने के लिए भी किया जा सकता है, जिनका उनके विद्युत चुम्बकीय, ऑप्टिकल और भौतिक गुणों के लिए गहन अध्ययन किया जा रहा है।

चल रहे काम में, टीम वर्तमान प्रणाली के एकल आवृत्ति लक्ष्यीकरण के बजाय, एक बार में आवृत्तियों की एक श्रृंखला की जांच करने में सक्षम होने के लिए सिस्टम का विस्तार करने के तरीकों को खोजने की संभावना तलाश रही है। वे लिंकन प्रयोगशाला में अधिक शक्तिशाली क्वांटम सेंसिंग उपकरणों का उपयोग करके सिस्टम की क्षमताओं को परिभाषित करना जारी रखेंगे, जहां अनुसंधान दल के कुछ सदस्य आधारित हैं।

संदर्भ: गुओकिंग वांग, यी-जियांग लियू, जेनिफर एम। श्लॉस, स्कॉट टी। अलसिड, डेनिएल ए। ब्रेजे और पाओला कैपेलारो द्वारा “क्वांटम मिक्सर का उपयोग करके मनमानी-आवृत्ति फ़ील्ड्स का सेंसिंग”, 17 जून 2022, शारीरिक समीक्षा X.
डीओआई: 10.1103 / PhysRevX.12.021061

टीम में एमआईटी में यी-जियांग लियू और लिंकन प्रयोगशाला में जेनिफर श्लॉस, स्कॉट अलसिड और डेनिएल ब्रेजे शामिल थे। इस काम को रक्षा उन्नत अनुसंधान परियोजना एजेंसी द्वारा समर्थित किया गया था (दरपा) और क्यू-डायमंड।

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