あらゆる周波数の電磁波信号を検出する量子センサー (Quantum sensor can detect electromagnetic signals of any frequency

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2022-06-21 アメリカ合衆国・MIT

・ MIT とリンカーン研究所が ナノスケールの測定能力を損失せずに、あらゆる周波数を検出可能な量子センサーを実現する、量子ミキサーシステムを開発。
・ 磁場や電場の最も微小な変化を検出する量子センサーは、材料科学や基礎物理学における精密測定を可能にしているが、特定の周波数のみの検出能力のためその有用性が制限されている。
・ 量子センサーの周波数感度を変更する方法は他にもあるが、大型のデバイスや詳細を不鮮明にする強力な磁場を利用するため、新システムが提供する超高分解能の達成は不可能。
・ 量子センサーは、粒子が極めて微妙な均衡状態にあるため極微小な振動にも影響されるシステムで、中性原子、イオントラップや固体スピン等の様々な形態があり、これらのセンサーを利用する研究が急増している。
・ 例えば、時間結晶やトポロジー位相等の物体の特殊な状態の調査、また、量子メモリーや演算デバイス等の実用デバイスの特性の把握に使用されるが、現在の量子センサーの検出可能範囲をはるかに超える周波数範囲の興味深い現象が存在する。
・ 新量子ミキサーは、マイクロ波のビームを用いて第二の周波数を検出器に注入し、対象となる磁場・電場の周波数を、検出器が最も高感度の別の周波数(元の周波数と追加された信号の周波数の差)に変換する。
・ 一般的な量子センシングシステムのダイヤモンド窒素(N)-空孔(V)中心のアレイをベースとしたデバイスによる実験では、2.2GHz の量子ビット検出器を使用した 150MHz の周波数の信号検出を実証。その後、フロク(Floquet)理論に基づいた理論的枠組みの導出と一連の実験によるその理論の数値予測の検証により、新プロセスを詳細に解析した。
・ 新システムの原理は、例えばマイクロ波アンテナ性能の詳細な特定等、多様なセンサーや量子デバイスに応用可能。また、刺激を受けたニューロンによるノイズの多い分離困難な信号の検出等、現行の量子センシングシステムでは不可能な生物医学分野での新しいアプリケーションの可能性が期待できる。
・ また、電磁的、光学的、物理的特性が盛んに研究されている 2D 材料の詳細な挙動の特定にも利用可能。広範囲の周波数の一括調査への新システムの拡張方法や、より強力な量子センシングデバイスによる新システム性能の調査を継続して実施する。
・ 新技術は特許出願済み。本研究は、米国国防高等研究計画局(DARPA)および Q-Diamond が支援した。
URL: https://news.mit.edu/2022/quantum-sensor-frequency-0621

<NEDO海外技術情報より>

関連情報

Physical Review X 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Sensing of Arbitrary-Frequency Fields Using a Quantum Mixer
URL: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.021061

ABSTRACT

Quantum sensors such as spin defects in diamond have achieved excellent performance by combining high sensitivity with spatial resolution. Unfortunately, these sensors can only detect signal fields with frequency in a few accessible ranges, typically low frequencies up to the experimentally achievable control field amplitudes and a narrow window around the sensors’ resonance frequency. Here, we develop and demonstrate a technique for sensing arbitrary-frequency signals by using the sensor qubit as a quantum frequency mixer, enabling a variety of sensing applications. The technique leverages nonlinear effects in periodically driven (Floquet) quantum systems to achieve quantum frequency mixing of the signal and an applied bias ac field. The frequency-mixed field can be detected using well-developed sensing techniques such as Rabi and CPMG with the only additional requirement of the bias field. We further show that the frequency mixing can distinguish vectorial components of an oscillating signal field, thus enabling arbitrary-frequency vector magnetometry. We experimentally demonstrate this protocol with nitrogen-vacancy centers in diamond to sense a 150-MHz signal field, proving the versatility of the quantum mixer sensing technique.

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