Özel bir sensör sınıfı, kuantum özelliklerini kullanarak klasik sensörlerle mümkün olamayacak kadar küçük sinyalleri ölçmektedir. Bu tür kuantum sensörleri, şu anda hücrelerin iç işleyişini ve evrenimizin derinliklerini incelemek için kullanılmaktadır.
Özellikle umut verici olan katı hal kuantum sensörleri, oda sıcaklığında çalışabilmektedir. Ne yazık ki, günümüzdeki çoğu katı hal kuantum sensörü yalnızca bir fiziksel büyüklüğü ölçmektedir - örneğin, bir malzemedeki manyetik alan, sıcaklık veya gerilimi. Bir malzemenin manyetik alanını ve sıcaklığını aynı anda ölçmeye çalışmak, sinyallerin karışmasına ve ölçümlerin güvenilmez hale gelmesine neden olmaktadır.
Şimdi, MIT araştırmacıları, bir katı hal kuantum sensörü ile birden fazla fiziksel büyüklüğü aynı anda ölçmenin bir yolunu geliştirdiler. Bunu, parçacıkların tek bir kuantum durumuna bağlı hale geldiği dolanıklığı kullanarak başardılar. Yeni bir makalede, ekip, oda sıcaklığında yaygın olarak kullanılan bir kuantum sensöründe, tek bir ölçümde bir mikrodalga alanının genliğini, frekansını ve fazını ölçerek yaklaşımını gösterdi. Ayrıca, bu yaklaşımın her bir özelliği sırayla ölçmekten veya geleneksel sensörler kullanmaktan daha iyi çalıştığını da gösterdiler.
Araştırmacılar, bu yaklaşımın, malzemelerin ve kanser hücreleri gibi canlı sistemlerin içindeki atomların ve elektronların davranışını anlamamızı derinleştirebilecek kuantum sensörlerini mümkün kılabileceğini söylüyorlar.
“Kuantum çok parametreli tahmin bugüne kadar çoğunlukla teorik kaldı,” diyor makalenin ortak yazarı Takuya Isogawa, nükleer bilim ve mühendislik alanında yüksek lisans öğrencisi. “Gerçekten bunu gösteren çok az deney var ve bu çalışmalar fotonlara odaklandı. Biz, daha uygulama odaklı bir kurulumda: günümüzde kullanılan bir katı hal kuantum sensöründe çok parametreli tahmini göstermek istedik.”
Isogawa'ya makalede, ortak yazarlar Guoqing Wang PhD ’23 ve MIT doktora adayı Boning Li eşlik ediyor. Makalenin diğer yazarları, eski MIT misafir öğrencileri Zhiyao Hu ve Ayumi Kanamoto; Tokyo Üniversitesi doktora adayı Shunsuke Nishimura; Hong Kong Çin Üniversitesi Profesörü Haidong Yuan; ve MIT’nin Ford Mühendislik Profesörü, nükleer bilim ve mühendislik ile fizik profesörü ve Elektronik Araştırma Laboratuvarı üyesi Paola Cappellaro’dur.
Ölçüm için kuantum etkileri
Kuantum sensörleri, manyetik alanlar, elektrik alanları, yerçekimi, ivme ve daha fazlasındaki değişiklikleri ölçmek için dolanıklık, spin durumları ve süperpozisyon gibi kuantum etkilerini kullanır. Bu nedenle, biyoloji ve uzayı anlamak için faydalı olan, hücreler içindeki metabolitlerin veya enzimlerin aktivitesini takip etmek gibi tek moleküllerin aktivitesini ölçmek için kullanılabilirler.
Biyolojide özellikle yararlı bir sensör, elmaslardaki azot-boşluk (NV) merkezlerini kullanır; bu, elmasın kristal kafesindeki bir karbon atomunun bir azot atomu ile değiştirildiği ve komşu bir kafes noktasının eksik olduğu bir defekt. Bu defekt, optik olarak okunabilen geçiş frekanslarına sahip bir elektronik spin barındırır. NV merkezinin spin durumu, manyetik alanlar ve sıcaklık gibi dış etkilere son derece hassastır ve bu durum, çok yüksek çözünürlükte ölçülebilir.
Ne yazık ki, farklı dış etkiler, spin enerjilerinin rezonanslarını benzer şekillerde değiştirdiğinden, birden fazla etkiyi aynı anda ölçmek zordur. Sonuç olarak, çoğu katı hal kuantum sensörü uygulaması, bir seferde yalnızca bir fiziksel büyüklüğü ölçmektedir.
“Eğer yalnızca bir büyüklüğü ölçebiliyorsanız, her bir büyüklüğü tek tek ölçmek için deneyleri tekrarlamak zorundasınız,” diyor Isogawa. “Bu daha fazla zaman alır, bu da daha az hassasiyet anlamına gelir. Ayrıca deneyleri hatalara daha duyarlı hale getirir.”
Deneyleri için araştırmacılar, 5 kare milimetrelik bir elmasın içindeki NV merkezlerini kullandılar. Elmasın içine bir lazer yönlendirdiler ve ölçümlerini yapmak için elmasın floresansını incelediler; bu, bu tür sensörler için yaygın bir yaklaşımdır. NV merkezinin elektronik spinini incelemek için bir mikrodal
