El sensor cuántico puede detectar señales electromagnéticas de cualquier frecuencia.
Los sensores cuánticos, que detectan las variaciones más pequeñas en los campos magnéticos o eléctricos, han permitido realizar mediciones de precisión en la ciencia de los materiales y la física fundamental. Pero estos sensores solo pudieron detectar unas pocas frecuencias específicas de estos campos, lo que limitó su utilidad. Ahora, los investigadores del MIT han desarrollado un método que permite que estos sensores detecten cualquier frecuencia arbitraria, sin perder su capacidad de medir características a nanoescala.
El nuevo método, para el cual el equipo ya ha solicitado protección por patente, se describe en la revista Physical Review X, en un documento por el estudiante graduado Guoqing Wang, la profesora de ciencia e ingeniería nuclear y física Paola Cappellaro, y otros cuatro en el MIT y el Laboratorio Lincoln.
Los sensores cuánticos pueden tomar muchas formas; son esencialmente sistemas en los que ciertas partículas se encuentran en un estado de equilibrio tan delicado que se ven afectadas incluso por mínimas variaciones en los campos a los que están expuestas. Estos pueden tomar la forma de átomos neutros, iones atrapados y espines de estado sólido, y la investigación que usa tales sensores ha crecido rápidamente. Por ejemplo, los físicos los usan para estudiar estados exóticos de la materia, incluidos los llamados cristales de tiempo y fases topológicas, mientras que otros investigadores los usan para caracterizar dispositivos prácticos como la memoria cuántica experimental o dispositivos informáticos. Pero muchos otros fenómenos interesantes cubren un rango de frecuencias mucho más amplio que el que pueden detectar los sensores cuánticos actuales.
El nuevo sistema desarrollado por el equipo, al que llaman mezclador cuántico, inyecta una segunda frecuencia en el detector mediante un haz de microondas. Esto convierte la frecuencia del campo que se está estudiando a una frecuencia diferente, la diferencia entre la frecuencia original y la de la señal añadida, que se sintoniza a la frecuencia específica a la que el detector es más sensible. Este proceso simple permite que el detector se sintonice a cualquier frecuencia deseada, sin perder la resolución espacial a nanoescala del sensor.
En sus experimentos, el equipo utilizó un dispositivo específico basado en una matriz de centros de vacantes de nitrógeno en diamante, un sistema de detección cuántica ampliamente utilizado, y demostró con éxito la detección de una señal con una frecuencia de 150 megahercios, utilizando un detector de qubits con una frecuencia de 2,2 gigahercios – detección que sería imposible sin el multiplexor cuántico. Luego llevaron a cabo análisis detallados del proceso derivando un marco teórico, basado en la teoría de Floquet, y probando las predicciones numéricas de esta teoría en una serie de experimentos.
Aunque sus pruebas utilizaron este sistema específico, dice Wang, «el mismo principio también se puede aplicar a cualquier tipo de sensores o dispositivos cuánticos». El sistema sería autónomo, con el detector y la fuente de la segunda frecuencia combinados en un solo dispositivo.
Wang dice que este sistema podría usarse, por ejemplo, para caracterizar en detalle el rendimiento de una antena de microondas. “Puede caracterizar la distribución del campo [generated by the antenna] con resolución a nanoescala, por lo que es muy prometedor en esa dirección”, dice.
Hay otras formas de alterar la sensibilidad de frecuencia de algunos sensores cuánticos, pero requieren el uso de dispositivos grandes y campos magnéticos fuertes que desdibujan los detalles finos y hacen que sea imposible lograr la altísima resolución que ofrece el nuevo sistema. En tales sistemas hoy en día, dice Wang, «tienes que usar un fuerte campo magnético para sintonizar el sensor, pero ese campo magnético puede potencialmente romper las propiedades del material cuántico, lo que puede influir en los fenómenos que deseas medir».
El sistema puede abrir nuevas aplicaciones en campos biomédicos, según Cappellaro, porque puede hacer accesible un rango de frecuencias de actividad eléctrica o magnética al nivel de una sola célula. Sería muy difícil obtener una resolución útil de tales señales usando los actuales sistemas de detección cuántica, dice. Puede ser posible usar este sistema para detectar las señales de salida de una sola neurona en respuesta a ciertos estímulos, por ejemplo, que suelen incluir mucho ruido, lo que hace que estas señales sean difíciles de aislar.
El sistema también podría usarse para caracterizar en detalle el comportamiento de materiales exóticos, como materiales 2D que se estudian intensamente por sus propiedades electromagnéticas, ópticas y físicas.
En el trabajo en curso, el equipo está explorando la posibilidad de encontrar formas de ampliar el sistema para poder sondear un rango de frecuencias a la vez, en lugar del objetivo de frecuencia única del sistema actual. También continuarán definiendo las capacidades del sistema utilizando dispositivos de detección cuántica más potentes en el Laboratorio Lincoln, donde se encuentran algunos miembros del equipo de investigación.
El equipo incluía a Yi-Xiang Liu del MIT y Jennifer Schloss, Scott Alsid y Danielle Braje del Laboratorio Lincoln. El trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y Q-Diamond.
