شناسایی سیگنال‌های الکترومغناطیسی با حسگرهای کوانتومی

شناسایی سیگنال‌های الکترومغناطیسی با حسگرهای کوانتومی در فرکانس‌های مختلف ممکن شده است؛ حسگرهای کوانتومی کوچک‌ترین تغییرات رخ داده در میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی را هم تشخیص می‌دهند و امکان اندازه‌گیری دقیق را برای علوم مواد و فیزیک پایه فراهم می‌آورند. با این حال، این حسگرها تاکنون تنها قادر به شناسایی فرکانس‌های محدود بوده‌ و به همین دلیل، کاربرد محدودی داشته‌اند. پژوهشگران MIT روشی ارائه داده‌اند که به حسگرها اجازه می‌دهد بدون به خطر انداختن قابلیت‌شان در اندازه‌گیری خواص نانومتری، هرگونه فرکانسی را تشخیص دهند.

مختصات شناسایی سیگنال‌های الکترومغناطیسی با حسگرهای کوانتومی طی پژوهشی مورد بحث قرار گرفته است؛ گوکینگ وانک، استاد علوم و مهندسی هسته‌ای، پائولا گاپلارو و چهار متخصص دیگر از MIT و آزمایشگاه لینکلن، پژوهش حاضر را در ژورنال Physical Review X منتشر کرده‌اند.

حسگرهای کوانتومی انواع مختلف دارند و سیستم‌هایی هستند که ذرات‌شان به صورت بسیار متوازن کنار هم قرار گرفته‌اند، به طوری که حتی با کوچک‌ترین تغییرات میدان نیز تحت‌ تأثیر قرار می‌گیرند. این ذرات می‌توانند اتم‌های خنثی، یون‌های به تله افتاده (ربوده شده)، و اسپین‌های حالت جامد باشند. این حسگرها اهمیت پژوهشی بالایی دارند. برای مثال، فیزیک‌دان‌ها برای بررسی حالات عجیب مواد، از جمله کریستال‌های زمانی و فازهای توپولوژیکی، از این حسگرها استفاده می‌کنند؛ کاربرد دیگر حسگرها در شناسایی دستگاه‌های کاربردی همچون حافظه کوانتومی تجربی یا دستگاه‌های محاسباتی می‌باشد. پژوهش حاضر به قابلیت شناسایی طیف فرکانسی وسیع‌تر در این حسگرها پرداخته‌اند.

شناسایی سیگنال‌های الکترومغناطیسی با حسگرهای کوانتومی، با سیستم جدید ممکن شده است؛ سیستم جدید که میکسر کوانتومی نام گرفته است، فرکانس ثانوی را از طریق اشعه‌ای از ریزموج‌ها وارد تشخیص‌گر می‌کند. بدین ترتیب، فرکانس میدان به فرکانس دیگری تبدیل شده و سپس به فرکانس خاصی تغییر می‌یابد که تشخیص‌گر بیشترین حساسیت را به آن دارد. این فرآیند ساده به تشخیص‌گر اجازه می‌دهد بدون از دست دادن رزولوشن فضایی، مستقیماً به سمت فرکانس موردنظر پیش برود.

برای شناسایی سیگنال‌های الکترومغناطیسی با حسگرهای کوانتومی در آزمایشات، پژوهشگران از یک دستگاه خاص و آرایه‌ای از کانون‌های نیتروژن-تهی موجود در الماس و یک سیستم حسگر کوانتومی پرکاربرد استفاده کردند و موفق شدند سیگنالی با فرکانس 150 مگاهرتز را از طریق یک تشخیص‌گر کیوبیت با فرکانس 2/2 گیگاهرتزی، تشخیص دهند، امری که بدون تسهیم‌گر کوانتومی امکان‌پذیر نبود. سپس، با تحلیل دقیق فرآیند و بر اساس چارچوبی مبتنی بر نظریه فلوکه، پیش‌بینی‌های عددی این نظریه را طی چندین گام متوالی به آزمایش گذاشتند.

به گفته‌ی وانگ، آزمایشات مذکور را می‌توان روی هرنوع حسگر یا دستگاه کوانتومی دیگر نیز اجرا کرد. با توجه به این‌که تشخیص‌گر و منبع فرکانس ثانوی در یک دستگاه قرار دارند، می‌توان گفت سیستم کامل است و نیاز به تجهیزات جانبی ندارد.

وانگ می‌گوید: «این سیستم را می‌توان برای شناسایی و توصیف دقیق عملکرد آنتن ریزموج به کار برد، چون می‌تواند توزیع میدان حاصل از آنتن را با رزولوشن بالا و در مقیاس نانو، نمایش ‌دهد.»

راه‌های دیگری هم برای تغییر حساسیت فرکانسی برخی از حسگرهای کوانتومی وجود دارد، اما متکی به کاربرد دستگاه‌های بزرگ و میدان‌های مغناطیسی قوی هستند که جزئیات را نادیده گرفته و دستیابی به رزولوشن بالایی را که با این سیستم جدید محقق می‌شود، غیرممکن می‌سازند. وانگ توضیح می‌دهد: «در سیستم‌های امروزی، برای تنظیم حسگر باید از میدان مغناطیسی قوی استفاده کرد، اما چنین میدانی می‌تواند خواص مواد کوانتومی را از بین ببرد و بالتبع، بر پدیده‌ای که قرار است اندازه بگیریم تأثیر بگذارد.»

به عقیده‌ی کاپلارو، سیستم مذکور در حوزه‌ زیست‌پزشکی نیز کاربرد خواهد داشت، چون می‌تواند طیف وسیعی از فرکانس‌های الکتریکی و مغناطیسی را در مقیاس سلولی پوشش دهد. با استفاده از حسگرهای کوانتومی امروزی، دریافت این سیگنال‌ها با رزولوشن بالا کار بسیار دشواری است. اما با تکیه بر سیستم جدید می‌توان سیگنال‌های خروجی از یک نورون واحد را شناسایی کرد؛ در حالت عادی، نویز بالای این سیگنال‌ها مانع ایزوله کردن سیگنال موردنظر می‌شود.

این سیستم را می‌توان برای شناسایی دقیق رفتار مواد عجیب، همچون مواد دوبُعدی که به خاطر خواص الکترومغناطیسی، بصری و فیزیکی‌شان مورد مطالعه قرار می‌گیرند، به کار برد.

شناسایی سیگنال‌های الکترومغناطیسی با حسگرهای کوانتومی در سیستم جدید تنها می‌تواند یک فرکانس واحد را هدف قرار دهد، اما پژوهشگران در حال بررسی امکان بسط سیستم هستند تا بتواند طیفی از چندین فرکانس را به صورت هم‌زمان بررسی کند. به علاوه، متخصصان آزمایشگاه لینکلن تلاش می‌کنند با استفاده از حسگرهای کوآنتومی قدرتمندتر، قابلیت‌های سیستم را بسنجند.

یی-چانگ لیو از MIT، جنیفر اسکلاس، اسکات السید و دنیل براژه، متخصصان آزمایشگاه لینکلن، نیز در پژوهش مذکور مشارکت داشته‌اند. این پژوهش از سوی DARPA و Q-Diamond پشتیبانی شده است.

جدیدترین اخبار هوش مصنوعی ایران و جهان را با هوشیو دنبال کنید