Ερευνητές του ΜΙΤ ανέπτυξαν έναν νέο τύπο κβαντικού αισθητήρα που έχει τη δυνατότητα να μετρά ταυτόχρονα πολλές φυσικές ποσότητες με υψηλή ανάλυση.
Η καινοτομία αυτή βασίζεται στη χρήση κέντρων αζώτου-κενού σε διαμάντια, όπου ένα άτομο άνθρακα στο κρυσταλλικό πλέγμα του διαμαντιού αντικαθίσταται από ένα άτομο αζώτου, ενώ μια γειτονική θέση παραμένει κενή. Αυτή η ατέλεια δημιουργεί ένα ηλεκτρονικό σπιν που παρουσιάζει ιδιαίτερη ευαισθησία σε εξωτερικές επιδράσεις, επιτρέποντας μετρήσεις σε κλίμακες που θα ήταν αδιανόητες για τους κλασικούς αισθητήρες.
Οι περιορισμοί των παραδοσιακών αισθητήρων
Οι κβαντικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται ήδη για τη μελέτη των εσωτερικών λειτουργιών των κυττάρων και του σύμπαντος. Ωστόσο, η πλειονότητα των στερεάς κατάστασης κβαντικών αισθητήρων που είναι διαθέσιμοι σήμερα περιορίζεται στη μέτρηση μίας μόνο φυσικής ποσότητας κάθε φορά, όπως το μαγνητικό πεδίο, η θερμοκρασία ή η τάση ενός υλικού.
Όταν γίνεται προσπάθεια ταυτόχρονης μέτρησης περισσότερων παραμέτρων, τα σήματα αναμειγνύονται, καθιστώντας τις μετρήσεις αναξιόπιστες. Όπως εξηγεί ο Takuya Isogawa, μεταπτυχιακός φοιτητής πυρηνικής επιστήμης και μηχανικής στο ΜΙΤ, «αν μπορείς να μετρήσεις μόνο μία ποσότητα τη φορά, πρέπει να επαναλαμβάνεις τα πειράματα, κάτι που απαιτεί περισσότερο χρόνο και μειώνει την ευαισθησία, ενώ καθιστά τα πειράματα πιο επιρρεπή σε σφάλματα».
Η αξιοποίηση της κβαντικής διεμπλοκής
Η ερευνητική ομάδα κατάφερε να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο αξιοποιώντας το φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής, όπου σωματίδια συσχετίζονται σε μια ενιαία κβαντική κατάσταση. Στο πείραμά τους, χρησιμοποίησαν τα σπιν του κέντρου αζώτου-κενού και του ατόμου αζώτου ως δύο κβαντικά bit, γνωστά ως qubits.
Ενώ ένα μεμονωμένο qubit προσφέρει μόνο μια δυαδική έκβαση, τα δύο διεμπλεκόμενα qubits επιτρέπουν την εξαγωγή περισσότερων παραμέτρων ταυτόχρονα. Μέσω της τεχνικής μέτρησης κατάστασης Bell, οι ερευνητές μπόρεσαν να μετρήσουν το πλάτος, τη συχνότητα και τη φάση ενός πεδίου μικροκυμάτων σε μια ενιαία διαδικασία, επιτυγχάνοντας αποτελέσματα που υπερέχουν των διαδοχικών μετρήσεων.
Εφαρμογές στη βιολογία και την επιστήμη υλικών
Ένα από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα αυτής της τεχνολογίας είναι ότι λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό καθιστά τον αισθητήρα εξαιρετικά κατάλληλο για πειράματα στη βιολογία και τη φυσική συμπυκνωμένης ύλης, όπου η διατήρηση των συνθηκών του περιβάλλοντος είναι κρίσιμη.
Οι ερευνητές υπογραμμίζουν ότι η ικανότητα ταυτόχρονης μέτρησης πολλαπλών παραμέτρων μπορεί να εμβαθύνει την κατανόηση της συμπεριφοράς ατόμων και ηλεκτρονίων μέσα σε υλικά, καθώς και σε ζωντανά συστήματα όπως τα καρκινικά κύτταρα.
Η προσέγγιση αυτή είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε περιβάλλοντα όπου οι φυσικές ποσότητες μεταβάλλονται σε διαφορετικές θέσεις, απαιτώντας αισθητήρες με υψηλή χωρική ανάλυση και δυνατότητα παρακολούθησης πολλών δεδομένων ταυτόχρονα.
Προς μια νέα εποχή κβαντικών μετρήσεων
Αν και οι ερευνητές σημειώνουν ότι ο αισθητήρας τους δεν έφτασε ακόμη στο ανώτατο δυνατό επίπεδο ακρίβειας για κάθε παράμετρο, η απόδειξη της αρχής σε ρεαλιστικές συνθήκες αποτελεί ένα αποφασιστικό βήμα.
Στο μέλλον, η ομάδα σχεδιάζει να διερευνήσει τη βελτίωση της ακρίβειας και την εφαρμογή της μεθόδου στον χαρακτηρισμό ετερογενών υλικών.
Η δυνατότητα για multiparameter estimation, δηλαδή την εκτίμηση πολλαπλών παραμέτρων, μεταβαίνει έτσι από το θεωρητικό επίπεδο στην πρακτική εφαρμογή, ανοίγοντας νέους δρόμους για την επιστημονική έρευνα που απαιτεί λεπτομερή και πολύπλευρη ανάλυση σε μικροσκοπικό επίπεδο.