El sensor cuántico puede detectar señales electromagnéticas de cualquier frecuencia

El sensor cuántico puede detectar señales electromagnéticas de cualquier frecuencia

Los investigadores del MIT han desarrollado un método para permitir que los sensores cuánticos detecten cualquier frecuencia arbitraria, sin perder su capacidad para medir características a escala nanométrica. Los sensores cuánticos detectan las variaciones más mínimas en los campos magnéticos o eléctricos, pero hasta ahora solo han sido capaces de detectar unas pocas frecuencias específicas, lo que limita su utilidad. Crédito: Guoqing Wang

Los sensores cuánticos, que detectan las variaciones más diminutas en los campos magnéticos o eléctricos, han permitido realizar mediciones de precisión en la ciencia de los materiales y la física fundamental. Pero estos sensores solo han sido capaces de detectar unas pocas frecuencias específicas de estos campos, lo que limita su utilidad. Ahora, los investigadores del MIT han desarrollado un método para permitir que dichos sensores detecten cualquier frecuencia arbitraria, sin perder su capacidad para medir características a escala nanométrica.

El nuevo método, para el cual el equipo ya ha solicitado protección por patente, se describe en la revista. Examen físico Xen un artículo del estudiante de posgrado Guoqing Wang, la profesora de ciencia e ingeniería nuclear y de física Paola Cappellaro, y otros cuatro en el MIT y el Laboratorio Lincoln.

Los sensores cuánticos pueden tomar muchas formas; son esencialmente sistemas en los que algunas partículas se encuentran en un estado de equilibrio tan delicado que se ven afectadas incluso por pequeñas variaciones en los campos a los que están expuestas. Estos pueden tomar la forma de átomos neutros, iones atrapados y espines de estado sólido, y la investigación que usa tales sensores ha crecido rápidamente. Por ejemplo, los físicos los usan para investigar estados exóticos de la materia, incluidos los llamados cristales de tiempo y fases topológicas, mientras que otros investigadores los usan para caracterizar dispositivos prácticos como la memoria cuántica experimental o dispositivos de computación. Pero muchos otros fenómenos de interés abarcan un rango de frecuencia mucho más amplio que el que pueden detectar los sensores cuánticos actuales.

El nuevo sistema que ideó el equipo, al que llaman mezclador cuántico, inyecta una segunda frecuencia en el detector mediante un haz de microondas. Esto convierte la frecuencia del campo que se está estudiando en una frecuencia diferente, la diferencia entre la frecuencia original y la de la señal añadida, que se sintoniza a la frecuencia específica a la que el detector es más sensible. Este proceso simple permite al detector ubicarse en cualquier frecuencia deseada, sin pérdida en la resolución espacial a nanoescala del sensor.

En sus experimentos, el equipo usó un dispositivo específico basado en una serie de centros de vacantes de nitrógeno en el diamante, un sistema de detección cuántica ampliamente utilizado, y demostró con éxito la detección de una señal con una frecuencia de 150 megahercios, usando un detector de qubits con una frecuencia de 2,2 gigahercios: una detección que sería imposible sin el multiplexor cuántico. Luego realizaron análisis detallados del proceso derivando un marco teórico, basado en la teoría de Floquet, y probando las predicciones numéricas de esa teoría en una serie de experimentos.

Si bien sus pruebas utilizaron este sistema específico, dice Wang, “el mismo principio también se puede aplicar a cualquier tipo de sensores o dispositivos cuánticos”. El sistema sería autónomo, con el detector y la fuente de la segunda frecuencia, todo empaquetado en un solo dispositivo.

Wang dice que este sistema podría usarse, por ejemplo, para caracterizar en detalle el rendimiento de una antena de microondas. “Puede caracterizar la distribución del campo [generated by the antenna] con resolución a nanoescala, por lo que es muy prometedor en esa dirección”, dice.

Hay otras formas de alterar la sensibilidad de frecuencia de algunos sensores cuánticos, pero requieren el uso de dispositivos grandes y campos magnéticos fuertes que borran los detalles finos e imposibilitan alcanzar la altísima resolución que ofrece el nuevo sistema. En tales sistemas hoy en día, dice Wang, “es necesario usar un fuerte campo magnético para sintonizar el sensor, pero ese campo magnético puede potencialmente romper las propiedades del material cuántico, lo que puede influir en los fenómenos que desea medir”.

El sistema puede abrir nuevas aplicaciones en campos biomédicos, según Cappellaro, porque puede hacer accesible un rango de frecuencias de actividad eléctrica o magnética al nivel de una sola célula. Sería muy difícil obtener una resolución útil de tales señales utilizando los sistemas de detección cuántica actuales, dice. Puede ser posible usar este sistema para detectar señales de salida de una sola neurona en respuesta a algún estímulo, por ejemplo, que normalmente incluyen una gran cantidad de ruido, lo que hace que dichas señales sean difíciles de aislar.

El sistema también podría usarse para caracterizar en detalle el comportamiento de materiales exóticos, como los materiales 2D que se están estudiando intensamente por sus propiedades electromagnéticas, ópticas y físicas.

En el trabajo en curso, el equipo está explorando la posibilidad de encontrar formas de expandir el sistema para poder probar un rango de frecuencias a la vez, en lugar del objetivo de frecuencia única del sistema actual. También continuarán definiendo las capacidades del sistema utilizando dispositivos de detección cuántica más potentes en el Laboratorio Lincoln, donde se encuentran algunos miembros del equipo de investigación.


Mejora de los sensores cuánticos midiendo la orientación de espines coherentes dentro de una red de diamantes


Más información:
Guoqing Wang et al, Detección de campos de frecuencia arbitraria utilizando un mezclador cuántico, Examen físico X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.021061

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.

Citación: El sensor cuántico puede detectar señales electromagnéticas de cualquier frecuencia (21 de junio de 2022) consultado el 22 de junio de 2022 en https://phys.org/news/2022-06-quantum-sensor-electromagnetic-frequency.html

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