MIT科学家研发量子混频器，可检测任意频率电磁信号，能用于各类型传感器或量子设备

在材料和基础物理等科学领域，有时需要对磁场或电场中的细微变化进行精准测量，量子传感器在此方面能发挥巨大作用。

但目前能进行高精度测量的量子传感器在实用性上还存在一定局限，其只能对电磁场的某些特定频率做检测，而许多研究所涉及的频率范围比当前量子传感器可以检测到的要宽得多。

▲图 | 使用量子混频器检测任意频率场（来源：MIT）

值得一提的是，这种限制或将很快成为过去时。麻省理工学院（MIT）的科学家现在已研究出一种方法，允许部署量子传感器来测量任何频率的电磁辐射变化，且对纳米级特征的敏感性不会下降。

近期，相关论文以《使用量子混频器检测任意频率场》（Sensing of Arbitrary-Frequency Fields Using a Quantum Mixer）为题发表在 Physical Review X[1]。

▲图 | 量子混频器原理图（来源：Physical Review X）

据了解，量子传感器有多种形式，它们实际上是一种让粒子处于特殊平衡状态而获得的系统，所以会受其所在电磁场微小变化的影响。

MIT 团队此次研发的新设备被称作量子混频器，其能够在确保纳米级空间分辨率的情况下，完全适应任何所需要测量的频率。

在实现方法上，研究人员通过在单个传感器中提供一种传感任意频率信号，当两个信号相互作用时，场的频率被转移到两个信号之间的差分上，从而允许将频率调整到底层传感器调谐的任何频率。

具体来说，是使用微波束向量子传感器加入另外一频率，将所测量场的频率转换成其他频率（原始频率与新引入频率之间的差值）。该频率即被调谐到量子传感器准备检测的频率。

据悉，研究人员采用的是基于金刚石中氮-空位中心阵列的特定设备来进行实验，他们利用 2.2GHz 的量子位探测器，成功对 150MHz 信号进行了测量。

▲图 | 对频率为 150MHz 的信号的检测（来源：Physical Review X）

没有量子混频器的帮助，该检测是不可能完成的。一旦通过混频器进行调整，信号就会被完美地拾取，而无需对量子位传感器进行任何其他修改。

这种看似简单的方法意味着量子传感器可以检测任何频率的电磁辐射，而不会损失分辨率。

然后，该课题组还使用一个以弗洛凯理论为基础的学术框架对研究进行了详细分析，且在多项试验中检查了该框架的数值预测。

值得一提的是，虽然研究人员的实验使用了特定的系统，但该系统是独立的，检测器和第二频率发生器都封装在一个设备中。他们在 MIT 官网还提到：“该原理能够应用于任何类型的传感器或量子设备。比如，可将其用于详细表征微波天线的性能，实现以纳米级分辨率表征由天线产生的场的分布。”

另外，据了解，还有一些方式能够增加某些量子传感器的频率范围，但会涉及到强磁场的使用，这会让一些细节变得不清楚，无法实现本次研究中的超高分辨率。在 MIT 官网上，论文第一作者、MIT 核科学与工程系的博士王国庆表示：“使用强磁场调整传感器，可能会破坏量子材料的性质，从而影响想要测量的现象。”

量子传感器为研究人员提供了对亚原子世界的前所未有的洞察力，并具有丰富的潜在应用，包括癌症检测、生物过程绘图和地质勘探，以及研究物质的拓扑相和“时间晶体”等。量子传感器最令人兴奋的应用也许是寻找量子材料或奇异材料，这些材料可以构成大规模量子计算机的基础。

据了解，本次研究或会在生物医学方面开辟新的研究领域。其可在单个细胞维度上进行电或磁频率变化的检测，例如，测量神经元对某些刺激信号的响应。而取得这些信号的有意义分辨率，是目前量子传感器极难做到的，它们很难对信号从噪声中进行分离。此外，量子混频器还可用于对二维材料物理特性等的测量上，以及潜在的量子计算等方面用途。

最后，研究团队目前正在做将他们的新系统进行扩展的工作，以便从现有的对单一目标频率的测量，转变为一次对一系列频率的检测。并会借助 MIT 林肯实验室（专注于为研究者设计的独特系统构建操作原型）的设备来进一步开发新系统的功能。本次研究工作还得到了美国国防部高级研究计划局和钻石经销商 Q-Diamond 的支持。

1、G.Wang, Y.Liu, J. Schloss, et al. Sensing of Arbitrary-Frequency Fields Using a Quantum Mixer.Phys. Rev. X 12,2022