多任务量子传感器可以同时测量多个性质

一类特殊传感器利用量子特性测量仅用经典传感器无法达到的微小信号水平。目前，这种量子传感器正被用来研究细胞内部结构以及宇宙的外部深处。

其中最有前景的是固态量子传感器，可以在室温下工作。遗憾的是，如今大多数固态量子传感器一次只能测量一个物理量——比如材料中的磁场、温度或应变。试图同时测量材料的磁场和温度会导致信号混淆，测量结果变得不可靠。

现在，麻省理工学院的研究人员创造了一种同时用固态量子传感器测量多个物理量的方法。他们通过利用纠缠实现这一点，即粒子相互关联到单一量子态。在一篇新论文中，团队在室温下用常用量子传感器演示了该方法，通过单次测量测量微波场的振幅、频率和相位。他们还证明了这种方法比顺序测量每个属性或使用传统传感器更有效。

研究人员表示，这种方法有望实现量子传感器，进一步加深我们对材料和细胞等生命系统中原子和电子行为的理解。

“量子多参数估计迄今为止大多是理论性的，”核科学与工程研究生、论文联合主笔井川拓也说。“实际上很少有实验能证明这一点，而且这些研究主要集中在光子上。我们希望在更实用的环境中展示多参数估计：如今使用的固态量子传感器。”

与磯川一同参与论文的还有共同主导作者王国庆博士（Ph.D. '23）和麻省理工学院博士生李博宁（Boning Li）。其他作者包括前麻省理工访问学生胡志耀和金本步;东京大学博士生西村俊介;香港中文大学袁海东教授;以及麻省理工学院福特工程学教授、核科学与工程及物理学教授、电子研究实验室成员保拉·卡佩拉罗。该研究发表在《PRX Quantum》期刊上。

量子效应用于测量

量子传感器利用纠缠、自旋态和叠加态等量子效应来测量磁场、电场、重力、加速度等变化。因此，它们可以用来测量单分子的活性，有助于理解生物学和空间，比如追踪细胞内代谢物或酶的活性。

生物学中一个特别有用的传感器利用了钻石中的氮空位中心（NV）中心，即钻石晶格中的一个碳原子被氮原子取代，邻近晶格位点缺失或空缺。缺陷中存在一个电子自旋，其跃迁频率可以通过光学读取。NV中心的自旋态对外部效应极为敏感，如磁场和温度，这些因素可以以极高分辨率测量自旋态。

不幸的是，不同的外部效应以类似方式改变自旋的能量共振，这使得同时测量多种效应变得困难。结果是，大多数固态量子传感器应用一次测量单一物理量。

“如果你一次只能测量一个量，就必须重复实验，逐一测量，”磯川说。“那需要更多时间，也就是说敏感度降低了。这也让实验更容易出错。”

在实验中，研究人员使用了一颗5平方毫米钻石内的NV中心。他们将激光照射到钻石中，研究其荧光以进行测量，这也是此类传感器常见的方法。为了研究NV中心的电子自旋，他们使用了微波天线。为了研究氮原子的自旋，他们使用了射频场。

“我们用这两个自旋作为两个量子比特，”磯川说，指的是量子计算系统的构建模块。“如果你只有一个量子比特，你只能测量一个结果：基本上是0或1。而是它旋转上升或下降的概率。可以把它想象成掷硬币，正面或反面的概率。有了两个量子比特，我们增加了可以提取的参数。”

该系统之所以有效，是因为传感器量子比特和辅助量子比特的自旋纠缠在一起，这是一种量子特性，即一个粒子的状态依赖于另一个。用一个量子比特，结果是二元的。如果有两个，你会得到四个可能的结果，总共三个参数。

这两个量子比特使研究人员能够同时使用一种称为贝尔状态测量的技术测量这三个量。

其他研究人员此前也曾在极低温度下使用贝尔状态测量，但麻省理工学院的研究人员开发了一种在室温下进行测量的新技术。该技术最早由王氏提出，他曾是卡佩拉罗教授实验室的研究生。

研究人员利用该方法同时测量微波磁场的幅度、失谐和相位。研究人员还表示，该方法可用于测量电场、温度、压力和应变。

磯川说：“同时测量这些参数有助于我们探索材料中的自旋波，这是凝聚态物理中一个重要课题。”“NV中心传感器具有极高的空间分辨率和多功能性。它可以测量很多不同的物理量。”

更实用的量子传感

研究人员表示，这项工作是利用固态量子传感器更全面表征生物医学研究系统和材料表征的重要一步。这是因为多参数估计从未在现实环境中或广泛使用的量子传感器中实现。

“NV中心量子传感器之所以特别，是因为它们可以在室温下工作，”磯川说。“它非常适合生物测量或凝聚态物理实验。”

尽管研究人员表示，他们的传感器未能以最高精度测量每个量，但他们计划在未来的研究中探索该方法是否能在每个参数上实现更高的精度。

他们还计划探索其方法如何表征异质材料。

“在极其均匀的环境中，你可以使用多种不同的经典和量子传感器，同时测量每种物理量，”磯川说。“但如果不同地点的物理量发生变化，你需要高空间传感器，还需要一个能测量多个物理量的传感器。这种方法在这种情况下具有重大优势。”

Takuya Isogawa 等，《固态量子传感器的纠缠辅助多参数估计》，PRX Quantum（2026）。DOI： 10.1103/kqfr-bbfx

期刊信息：PRX Quantum 

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