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量子传感器可以探测磁场或电场中最微小的变化，使材料科学和基础物理学的精确测量成为可能。但这些传感器只能探测到这些磁场的几个特定频率，限制了它们的实用性。现在，麻省理工学院的研究人员已经开发出一种方法，使这种传感器能够检测任何任意频率，而不会失去测量纳米尺度特征的能力。
该团队已经申请了专利保护，该新方法在期刊上进行了描述物理评论X研究生王国庆、核科学与工程教授和物理学教授卡佩拉罗(Paola Cappellaro)以及麻省理工学院和林肯实验室的其他四人共同发表了一篇论文。
量子传感器可以有多种形式;它们本质上是一种系统，其中一些粒子处于一种微妙的平衡状态，以至于它们会受到它们所接触到的场的微小变化的影响。这些传感器可以以中性原子、被困离子和固态自旋的形式存在，使用此类传感器的研究发展迅速。例如，物理学家用它们来研究奇异的物质状态，包括所谓的时间晶体和拓扑相，而其他研究人员则用它们来表征实验量子存储器或计算设备等实际设备。但许多其他令人感兴趣的现象的频率范围比今天的量子传感器所能探测到的要宽得多。
该团队设计的新系统，他们称之为量子混频器，通过一束微波向探测器注入第二种频率。这将被研究的场的频率转换为不同的频率——原始频率和附加信号之间的差值——调谐到探测器最敏感的特定频率。这一简单的过程使探测器能够在任何所需的频率，而不损失传感器的纳米级空间分辨率。
在他们的实验中，该团队使用了一种基于金刚石中氮空位中心阵列的特定设备，这是一种广泛使用的量子传感系统，并成功地演示了使用频率为2.2千兆赫的量子比特探测器检测频率为150兆赫的信号——如果没有量子多路复用器，这种检测是不可能的。然后，他们通过推导一个基于弗洛凯理论的理论框架，对这一过程进行了详细的分析，并在一系列实验中测试了该理论的数值预测。
虽然他们的测试使用的是这种特定的系统，但王说:“同样的原理也可以应用于任何类型的传感器或量子设备。”该系统将是自给自足的，探测器和第二频率的源都包装在一个单一的设备。
王说，例如，这个系统可以用来详细描述微波天线的性能。他说:“它可以以纳米级的分辨率描述[天线产生的]场的分布，所以在这个方向上很有前途。”
还有其他方法可以改变一些量子传感器的频率灵敏度，但这些方法需要使用大型设备和强磁场，这会模糊细微的细节，不可能实现新系统提供的非常高的分辨率。在今天的这样的系统中，王说，“你需要使用一个强磁场来调整传感器，但这个磁场可能会破坏量子材料的特性，这可能会影响你想要测量的现象。”
根据Cappellaro的说法，该系统可能会在生物医学领域开辟新的应用，因为它可以在单个细胞水平上获得一系列频率的电或磁活动。她说，使用目前的量子传感系统很难对这些信号进行有效的分辨。使用该系统可以检测单个神经元对某些刺激的响应的输出信号，例如，这些刺激通常包含大量的噪声，使得这些信号难以分离。
该系统还可以用于详细描述奇异材料的行为，例如正在对其电磁、光学和物理特性进行深入研究的二维材料。
在正在进行的工作中，该团队正在探索寻找方法来扩大系统的可能性，使其能够一次探测一系列频率，而不是目前系统的单一频率目标。他们还将继续在林肯实验室使用更强大的量子传感设备来定义系统的功能，该实验室是研究团队的一些成员所在的地方。
该团队包括麻省理工学院的刘益祥和林肯实验室的詹妮弗·施洛斯、斯科特·阿尔希德和丹妮尔·布拉杰。这项工作得到了美国国防高级研究计划局(DARPA)和Q-Diamond公司的支持。
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