Một loại cảm biến đặc biệt tận dụng các thuộc tính lượng tử để đo các tín hiệu cực nhỏ ở mức độ mà các cảm biến cổ điển không thể làm được. Các cảm biến lượng tử như vậy hiện đang được sử dụng để nghiên cứu hoạt động bên trong của tế bào và những vùng sâu thẳm nhất của vũ trụ.

Đặc biệt hứa hẹn là các cảm biến lượng tử trạng thái rắn, có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, đáng tiếc là hầu hết các cảm biến lượng tử trạng thái rắn hiện nay chỉ đo một đại lượng vật lý tại một thời điểm - chẳng hạn như từ trường, nhiệt độ hoặc biến dạng trong vật liệu. Việc cố gắng đo cả từ trường và nhiệt độ của vật liệu cùng một lúc sẽ khiến tín hiệu bị lẫn lộn và phép đo trở nên không đáng tin cậy.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại MIT đã tạo ra một phương pháp để đo đồng thời nhiều đại lượng vật lý bằng cảm biến lượng tử bán dẫn. Họ đạt được điều này bằng cách khai thác hiện tượng vướng lượng tử, trong đó các hạt trở nên tương quan thành một trạng thái lượng tử duy nhất. Trong một bài báo mới, nhóm nghiên cứu đã chứng minh phương pháp của họ trên một cảm biến lượng tử thông dụng ở nhiệt độ phòng, đo biên độ, tần số và pha của trường vi sóng trong một lần đo duy nhất. Họ cũng cho thấy phương pháp này hoạt động tốt hơn so với việc đo từng thuộc tính một cách tuần tự hoặc sử dụng các cảm biến truyền thống.

Các nhà nghiên cứu cho rằng phương pháp này có thể cho phép tạo ra các cảm biến lượng tử giúp chúng ta hiểu sâu hơn về hành vi của các nguyên tử và electron bên trong vật liệu và các hệ thống sống như tế bào ung thư.

“Cho đến nay, việc ước lượng đa tham số lượng tử chủ yếu vẫn chỉ mang tính lý thuyết,” Takuya Isogawa, đồng tác giả chính của bài báo và là nghiên cứu sinh ngành khoa học và kỹ thuật hạt nhân, cho biết. “Rất ít thí nghiệm thực sự chứng minh được điều đó, và các nghiên cứu trước đây tập trung vào photon. Chúng tôi muốn chứng minh việc ước lượng đa tham số trong một thiết lập mang tính ứng dụng hơn: một cảm biến lượng tử trạng thái rắn đang được sử dụng hiện nay”.

Cùng với Isogawa trong bài báo còn có các đồng tác giả chính Guoqing Wang, tiến sĩ năm 2023 và Boning Li, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại MIT. Các tác giả khác trong bài báo bao gồm cựu sinh viên thỉnh giảng của MIT Zhiyao Hu và Ayumi Kanamoto; nghiên cứu sinh tiến sĩ Shunsuke Nishimura tại Đại học Tokyo; Giáo sư Haidong Yuan tại Đại học Trung văn Hồng Kông; và Paola Cappellaro, Giáo sư Kỹ thuật Ford của MIT, giáo sư khoa học và kỹ thuật hạt nhân và vật lý, đồng thời là thành viên của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Điện tử.

Hiệu ứng lượng tử trong đo lường

Cảm biến lượng tử khai thác các hiệu ứng lượng tử như vướng víu lượng tử, trạng thái spin và chồng chất để đo lường sự thay đổi trong từ trường, điện trường, trọng lực, gia tốc, v.v. Do đó, chúng có thể được sử dụng để đo hoạt động của các phân tử đơn lẻ theo những cách hữu ích cho việc hiểu biết về sinh học và không gian, chẳng hạn như theo dõi hoạt động của các chất chuyển hóa hoặc enzyme bên trong tế bào.

Một loại cảm biến đặc biệt hữu ích trong sinh học tận dụng cái gọi là tâm khuyết nitơ (NV) trong kim cương, một khuyết tật trong đó một nguyên tử carbon trong mạng tinh thể kim cương được thay thế bằng một nguyên tử nitơ, và một vị trí mạng lân cận bị thiếu hoặc trống. Khuyết tật này chứa một spin điện tử mà tần số chuyển đổi của nó có thể được đọc bằng quang học. Trạng thái spin của tâm NV cực kỳ nhạy cảm với các tác động bên ngoài, chẳng hạn như từ trường và nhiệt độ, có thể làm thay đổi trạng thái spin theo những cách có thể đo được với độ phân giải cực cao.

Thật không may, các tác động bên ngoài khác nhau làm thay đổi sự cộng hưởng năng lượng của spin theo những cách tương tự, khiến việc đo nhiều tác động cùng một lúc trở nên khó khăn. Kết quả là, hầu hết các ứng dụng cảm biến lượng tử trạng thái rắn chỉ đo một đại lượng vật lý duy nhất tại một thời điểm.

“Nếu bạn chỉ có thể đo một đại lượng tại một thời điểm, bạn phải lặp lại thí nghiệm để đo từng đại lượng một”, Isogawa nói. “Điều đó tốn nhiều thời gian hơn, đồng nghĩa với việc độ nhạy giảm đi. Nó cũng làm cho các thí nghiệm dễ bị sai sót hơn”.

Trong thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các tâm NV bên trong một viên kim cương có kích thước 5 mm vuông. Họ chiếu tia laser vào viên kim cương và nghiên cứu sự phát quang của nó để thực hiện các phép đo, một phương pháp phổ biến đối với các cảm biến loại này. Để nghiên cứu spin điện tử của tâm NV, họ đã sử dụng một ăng-ten vi sóng. Để nghiên cứu spin của nguyên tử nitơ, họ đã sử dụng trường tần số vô tuyến.

“Chúng tôi đã sử dụng hai spin đó như hai qubit”, Isogawa nói, đề cập đến các khối cấu tạo của hệ thống điện toán lượng tử. “Nếu bạn chỉ có một qubit, bạn chỉ có thể đo được một kết quả: về cơ bản là 0 hoặc 1. Đó là xác suất để nó quay lên hoặc xuống. Hãy nghĩ về nó như việc tung đồng xu, với xác suất nhận được mặt ngửa hoặc mặt sấp. Với hai qubit, chúng tôi đã tăng số lượng tham số mà chúng tôi có thể trích xuất”.

Hệ thống hoạt động được là do spin của qubit cảm biến và qubit phụ trợ bị vướng víu với nhau, một thuộc tính lượng tử trong đó trạng thái của một hạt phụ thuộc vào hạt khác. Với một qubit, bạn nhận được kết quả nhị phân. Với hai qubit, bạn nhận được bốn kết quả có thể xảy ra với tổng cộng ba tham số có thể.

Hai qubit này cho phép các nhà nghiên cứu đo đồng thời ba đại lượng đó bằng một kỹ thuật được gọi là phép đo trạng thái Bell.

Trước đây, các nhà nghiên cứu khác đã sử dụng phép đo trạng thái Bell ở nhiệt độ cực thấp, nhưng các nhà nghiên cứu tại MIT đã phát triển một kỹ thuật mới để thực hiện phép đo ở nhiệt độ phòng. Kỹ thuật đó lần đầu tiên được đề xuất bởi Wang, người trước đây là nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Giáo sư Cappellaro.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp này để đo đồng thời biên độ, độ lệch tần số và pha của từ trường vi sóng. Họ cũng cho biết phương pháp này có thể được sử dụng để đo điện trường, nhiệt độ, áp suất và biến dạng.

“Việc đo đồng thời các thông số này có thể giúp chúng ta khám phá sóng spin trong vật liệu, một chủ đề quan trọng trong vật lý chất rắn”, Isogawa nói. “Cảm biến tâm NV có độ phân giải không gian và tính linh hoạt cực cao. Nó có thể đo rất nhiều đại lượng vật lý khác nhau”.

Cảm biến lượng tử thực tiễn hơn

Các nhà nghiên cứu cho rằng công trình này là một bước quan trọng hướng tới việc sử dụng cảm biến lượng tử trạng thái rắn để mô tả đầy đủ hơn các hệ thống trong nghiên cứu y sinh và đặc tính vật liệu. Điều đó là bởi vì việc ước lượng đa tham số chưa từng đạt được trong các điều kiện thực tế hoặc trong các cảm biến lượng tử được sử dụng rộng rãi.

“Điều làm cho các cảm biến lượng tử trung tâm NV trở nên đặc biệt là chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng”. Isogawa nói. “Nó rất phù hợp cho các phép đo sinh học hoặc các thí nghiệm vật lý chất rắn”.

Mặc dù các nhà nghiên cứu cho biết cảm biến của họ không đo được từng đại lượng với độ chính xác cao nhất có thể, nhưng trong các nghiên cứu tiếp theo, họ dự định sẽ tìm hiểu xem liệu phương pháp của họ có thể đạt được độ chính xác cao hơn cho từng thông số hay không.

Họ cũng có kế hoạch nghiên cứu xem phương pháp của họ hoạt động như thế nào trong việc mô tả đặc điểm của các vật liệu không đồng nhất.

“Trong một môi trường cực kỳ đồng nhất, bạn có thể sử dụng nhiều loại cảm biến cổ điển và lượng tử khác nhau để đo từng đại lượng vật lý cùng một lúc,” Isogawa nói. “Nhưng nếu các đại lượng vật lý thay đổi ở các vị trí khác nhau, bạn cần các cảm biến có độ phân giải không gian cao, và bạn cần một cảm biến có thể đo nhiều đại lượng vật lý cùng một lúc. Phương pháp này có những ưu điểm vượt trội trong những tình huống như vậy”.

Công trình nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc và Hội đồng Tài trợ Nghiên cứu Hồng Kông.