量子传感器如何克服高噪声技术

量子传感器承诺具有前所未有的灵敏度，可用于许多新的应用，例如探测思想的磁场或聆听来自暗物质的无线电波。然而，许多量子传感器在测量过程中会遇到严重降低性能的高噪声。现在，一项新的研究揭示了一种克服这种噪音的技术，可以潜在地将这些设备的灵敏度提高一百倍。

量子技术依赖于可能出现的量子效应，因为宇宙在最小的层面上可能变得非常模糊。例如，被称为叠加的量子效应使原子和宇宙的其他组成部分基本上同时存在于两个或多个地方或状态。

众所周知，这些量子效应很容易受到外界干扰。然而，量子传感器利用这一脆弱性，对环境中最轻微的干扰具有极高的灵敏度。科学家们目前正在开发量子传感器，可以以前所未有的细节绘制隐藏在地下的特征，并以优异的性能和成本无创地扫描大脑活动。

一种常见的固态量子传感器平台由微小的人造金刚石组成，其中含有缺陷，其中一个碳原子被一个氮原子取代，相邻的碳原子缺失。这些氮空位（NV）中心可以被认为是存在于0和1两个能级叠加中的“量子比特”。

芝加哥大学理论量子物理学家、该研究的资深作者Aashish Clerk说：“当你使用绿色激光时，只有当量子比特处于1态时，你才能获得强红光荧光。” 磁、电、热和其他干扰可以改变这种响应，使NV中心可以充当传感器。

然而，典型的固态量子传感器，包括基于NV中心的传感器，在读出测量值时经常会遇到大量噪声。这种检测噪声会大大限制其可达到的灵敏度。

现在，Clerk和他的同事们发现，量子效应经常被视为一种麻烦，可能有助于显著提高这些量子传感器的灵敏度。“我们认为灵敏度可能会提高一到两个数量级，”他说。

固态量子传感器通常可能拥有数百或数千个量子比特。它们可能会在光子爆发中共同释放能量。这种被称为超辐射衰变的效应会给量子传感注入一些噪声，因此通常是不需要的。然而，这种衰变产生的噪声远小于固态量子传感器在读出过程中所经历的噪声。

当研究人员探索衰变过程中量子比特之间的相互作用时，“我们意识到可能会发生一些潜在有用的事情，”Clerk说。当每一个量子比特从1衰减到0时，它会对所有其他处于叠加状态的未衰变量子比特产生一点影响。

科学家们出乎意料地发现，这一击可以放大剩余量子比特中编码信息的可检测性。如果研究人员只让超辐射衰变发生一段有限的时间，那么最终可能会有一半的量子比特保持完好，同时显著放大其中的信号。

研究人员建议，将微波或机械谐振器与NV中心量子传感器中的量子比特耦合，可以帮助实现读出前的超辐射放大步骤。这反过来会大大提高设备的灵敏度。

研究人员补充说，这种方法还应与其他一些量子传感平台合作，例如基于钻石中硅空位中心的平台。“我们正在积极与实验小组合作，以实施我们的方案，”Clerk说。

自20世纪50年代以来，物理学家就知道超辐射。“令人惊讶和兴奋的是，我们才刚刚开始了解和利用超辐射物理学的某些方面，” Clerk表示。