Multitasking-Quantensensoren können mehrere Eigenschaften gleichzeitig messen – Zach Winn, Massachusetts Institute of Technology
Mithilfe von Quantenverschränkung haben Forscher des MIT einen Weg gefunden, mehrere physikalische Größen gleichzeitig in einem Quantensensor bei Raumtemperatur zu messen. Der Ansatz könnte unter anderem in der biomedizinischen Sensorik und bei der Materialcharakterisierung Anwendung finden.
Eine besondere Klasse von Sensoren nutzt Quanteneigenschaften, um winzige Signale in Größenordnungen zu messen, die mit klassischen Sensoren allein unmöglich wären. Solche Quantensensoren werden derzeit eingesetzt, um die inneren Abläufe in Zellen und die äußeren Tiefen unseres Universums zu erforschen.
Besonders vielversprechend sind Festkörper-Quantensensoren, die bei Raumtemperatur betrieben werden können. Leider messen die meisten Festkörper-Quantensensoren heute jeweils nur eine physikalische Größe – wie beispielsweise das Magnetfeld, die Temperatur oder die Dehnung in einem Material. Der Versuch, sowohl das Magnetfeld als auch die Temperatur eines Materials gleichzeitig zu messen, führt dazu, dass sich deren Signale vermischen und die Messungen unzuverlässig werden.
Nun haben Forscher des MIT eine Methode entwickelt, mit der sich mehrere physikalische Größen gleichzeitig mit einem Festkörper-Quantensensor messen lassen. Dies gelang ihnen durch die Nutzung der Verschränkung, bei der Teilchen in einen einzigen Quantenzustand korreliert werden. In einer neuen Veröffentlichung demonstrierte das Team seinen Ansatz an einem gängigen Quantensensor bei Raumtemperatur und maß dabei die Amplitude, Frequenz und Phase eines Mikrowellenfeldes in einer einzigen Messung. Sie zeigten außerdem, dass der Ansatz besser funktioniert als die sequenzielle Messung jeder einzelnen Eigenschaft oder der Einsatz herkömmlicher Sensoren.
Den Forschern zufolge könnte der Ansatz Quantensensoren ermöglichen, die unser Verständnis des Verhaltens von Atomen und Elektronen in Materialien und lebenden Systemen wie Krebszellen vertiefen.
„Die Multiparameter-Schätzung im Quantenbereich war bislang größtenteils theoretischer Natur“, sagt Takuya Isogawa, Mitautor der Veröffentlichung und Doktorand im Fachbereich Nuklearwissenschaft und -technik. „Es gab bisher nur sehr wenige Experimente, die dies tatsächlich demonstriert haben, und diese Arbeiten konzentrierten sich auf Photonen. Wir wollten die Multiparameter-Schätzung in einem anwendungsorientierteren Aufbau demonstrieren: einem heute bereits eingesetzten Festkörper-Quantensensor.“
Neben Isogawa sind die Mitautoren Guoqing Wang (promoviert ’23) und der MIT-Doktorand Boning Li an der Veröffentlichung beteiligt. Weitere Autoren der Arbeit sind die ehemaligen Gaststudierenden des MIT Zhiyao Hu und Ayumi Kanamoto, der Doktorand Shunsuke Nishimura von der Universität Tokio, Professor Haidong Yuan von der Chinese University of Hong Kong sowie Paola Cappellaro, Ford-Professorin für Ingenieurwissenschaften am MIT, Professorin für Nuklearwissenschaft und -technik sowie für Physik und Mitglied des Research Laboratory of Electronics.
Quanteneffekte bei der Messung
Quantensensoren nutzen Quanteneffekte wie Verschränkung, Spinzustände und Superposition, um Veränderungen in Magnetfeldern, elektrischen Feldern, der Schwerkraft, der Beschleunigung und vielem mehr zu messen. Auf diese Weise können sie dazu verwendet werden, die Aktivität einzelner Moleküle auf eine Weise zu messen, die für das Verständnis der Biologie und der Weltraumforschung nützlich ist, beispielsweise durch die Verfolgung der Aktivität von Metaboliten oder Enzymen im Inneren von Zellen.
Ein in der Biologie besonders nützlicher Sensor nutzt sogenannte Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) in Diamanten – einen Defekt, bei dem ein Kohlenstoffatom im Kristallgitter des Diamanten durch ein Stickstoffatom ersetzt ist und eine benachbarte Gitterstelle fehlt bzw. vakant ist. Der Defekt beherbergt einen elektronischen Spin, dessen Übergangsfrequenzen optisch ausgelesen werden können. Der Spinzustand des NV-Zentrums reagiert äußerst empfindlich auf äußere Einflüsse wie Magnetfelder und Temperatur, die den Spinzustand auf eine Weise verschieben können, die sich mit extrem hoher Auflösung messen lässt.
Leider verändern verschiedene äußere Einflüsse die Energieresonanzen des Spins auf ähnliche Weise, was es schwierig macht, mehrere Effekte gleichzeitig zu messen. Das hat zur Folge, dass die meisten Anwendungen von Festkörper-Quantensensoren jeweils nur eine physikalische Größe auf einmal messen.
„Wenn man jeweils nur eine Größe messen kann, muss man die Experimente wiederholen, um die Größen nacheinander zu messen“, sagt Isogawa. „Das kostet mehr Zeit, was eine geringere Empfindlichkeit bedeutet. Außerdem werden die Experimente dadurch anfälliger für Fehler.“
Für ihr Experiment verwendeten die Forscher NV-Zentren in einem 5 Quadratmillimeter großen Diamanten. Sie richteten einen Laser auf den Diamanten und untersuchten dessen Fluoreszenz, um ihre Messungen durchzuführen – ein gängiges Verfahren für solche Sensoren. Um den elektronischen Spin des NV-Zentrums zu untersuchen, setzten sie eine Mikrowellenantenne ein. Zur Untersuchung des Spins des Stickstoffatoms nutzten sie ein Hochfrequenzfeld.
„Wir haben diese beiden Spins als zwei Qubits genutzt“, sagt Isogawa und bezieht sich dabei auf die Bausteine von Quantencomputersystemen. „Wenn man nur ein Qubit hat, kann man nur ein Ergebnis messen: im Grunde 0 oder 1. Das ist die Wahrscheinlichkeit, dass es nach oben oder unten spinnt. Man kann sich das wie einen Münzwurf vorstellen, bei dem die Wahrscheinlichkeit besteht, Kopf oder Zahl zu erhalten. Mit zwei Qubits haben wir die Anzahl der Parameter erhöht, die wir extrahieren konnten.“
Das System funktionierte, weil die Spins des Sensor-Qubits und des Hilfs-Qubits verschränkt waren – eine Quanteneigenschaft, bei der der Zustand eines Teilchens vom anderen abhängt. Mit einem Qubit erhält man ein binäres Ergebnis. Mit zwei Qubits erhält man vier mögliche Ergebnisse mit insgesamt drei möglichen Parametern.
Die beiden Qubits ermöglichten es den Forschern, diese drei Größen gleichzeitig mithilfe einer als „Bell-Zustandsmessung“ bekannten Technik zu messen.
Andere Forscher hatten die Bell-Zustandsmessung zuvor bereits bei extrem niedrigen Temperaturen angewendet, doch die MIT-Forscher entwickelten eine neue Technik, um die Messung bei Raumtemperatur durchzuführen. Diese Technik wurde erstmals von Wang vorgeschlagen, der zuvor als Doktorand im Labor von Professor Cappellaro tätig war.
Die Forscher nutzten diesen Ansatz, um gleichzeitig die Amplitude, die Verstimmung und die Phase eines mikrowelleninduzierten Magnetfelds zu messen. Sie weisen zudem darauf hin, dass sich dieser Ansatz auch zur Messung von elektrischen Feldern, Temperatur, Druck und Dehnung einsetzen ließe.
„Die gleichzeitige Messung dieser Parameter kann uns dabei helfen, Spinwellen in Materialien zu untersuchen – ein wichtiges Thema in der Festkörperphysik“, sagt Isogawa. „NV-Center-Sensoren zeichnen sich durch eine extrem hohe räumliche Auflösung und Vielseitigkeit aus. Mit ihnen lassen sich viele verschiedene physikalische Größen messen.“
Praktischere Quantensensorik
Die Forscher betonen, dass diese Arbeit ein wichtiger Schritt hin zum Einsatz von Festkörper-Quantensensoren ist, um Systeme in der biomedizinischen Forschung und bei der Materialcharakterisierung umfassender zu beschreiben. Denn bisher war eine Multiparameter-Schätzung weder unter realistischen Bedingungen noch mit weit verbreiteten Quantensensoren gelungen.
„Das Besondere an den NV-Zentrum-Quantensensoren ist, dass sie bei Raumtemperatur betrieben werden können“, sagt Isogawa. „Sie eignen sich sehr gut für biologische Messungen oder Experimente in der Festkörperphysik.“
Obwohl die Forscher anmerken, dass ihr Sensor nicht jede Größe mit der höchstmöglichen Präzision gemessen hat, wollen sie in zukünftigen Arbeiten untersuchen, ob ihr Ansatz eine höhere Präzision für jeden einzelnen Parameter erzielen kann.
Außerdem planen sie zu untersuchen, wie sich ihr Ansatz zur Charakterisierung heterogener Materialien eignet.
„In einer extrem homogenen Umgebung könnte man viele verschiedene klassische und Quanten-Sensoren einsetzen und jede physikalische Größe gleichzeitig messen“, sagt Isogawa. „Wenn sich die physikalischen Größen jedoch an verschiedenen Stellen ändern, benötigt man Sensoren mit hoher räumlicher Auflösung sowie einen Sensor, der mehrere physikalische Größen messen kann. Dieser Ansatz bietet in solchen Situationen erhebliche Vorteile.“
Die Arbeit wurde unter anderem von der US-amerikanischen National Science Foundation, der National Research Foundation of Korea und dem Research Grants Council of Hong Kong unterstützt.
