新的量子传感技术揭示了磁连接

假设您注意到露台和厨房温度计的温度突然下降。起初，您认为这是因为寒流，所以您调高了家里的暖气。然后你意识到，虽然外面确实变冷了，但里面有人把冰箱门开着。

最初，您认为温度下降是相关的。后来，你看到他们不是。

识别读数何时相关不仅对您的家庭供暖费用很重要，而且对所有科学都很重要。测量原子的特性时尤其具有挑战性。

现在，科学家们已经开发出一种方法，据《科学》杂志报道，该方法使他们能够了解一对原子级量子传感器检测到的磁场是否相关。

在原子尺度上区分独立环境和相关环境的能力可能会对医学、导航和发现科学产生巨大影响。

发生了什么

普林斯顿大学和威斯康星大学麦迪逊分校的一组科学家开发并展示了一种新技术，用于梳理多个量子传感器拾取的磁场是相互关联还是独立。

该团队专注于一种称为氮空位中心或NV中心的基于金刚石的传感器，它由一个氮原子组成，旁边是构成金刚石的碳原子晶体中原子大小的孔。

通常，科学家通过对多个读数进行平均来测量单个NV中心的磁场强度;或者他们可能会同时获取许多NV中心的平均读数。

虽然有用，但平均值只能提供这么多信息。知道威斯康星州明天的平均气温将是42华氏度，这并不能告诉您晚上或该州北部会冷多少。

“如果你不仅想了解某个位置或某个时间点的磁场值，而且还想知道一个位置的磁场与附近另一个位置的磁场之间是否存在关系，那么实际上并没有威斯康星大学麦迪逊分校副教授、Q-NEXT合作者、论文合著者ShimonKolkowitz说。Q-NEXT是由美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室领导的美国能源部(DOE)国家量子信息科学研究中心。

该团队的新方法使用两个NV中心的多个同时读数。使用复杂的计算和信号处理技术，他们获得了关于两点磁场之间关系的信息，并可以判断这两个读数是否来自同一来源。

“他们看到的是相同的磁场吗?他们看到的是不同的磁场吗?这就是我们可以从这些测量中得到的，”Kolkowitz说。“这是以前没有人能获得的有用信息。我们可以分辨出两个传感器所看到的全球场和本地场之间的区别。”

为什么重要

量子传感器利用原子或类原子系统的量子特性来接收微小信号，例如单个电子运动产生的磁场。这些磁场比冰箱磁铁的磁场弱100,000倍。只有量子传感器等超灵敏工具才能在自然界的最小尺度上进行测量。

预计量子传感器将非常强大。例如，NV中心可以区分仅相隔人类头发宽度的十分之一的特征。有了这种超级变焦功能，NV中心可以放置在活细胞中，以便在内部近距离观察它们的功能。科学家甚至可以用它们来查明疾病的原因。

“让NV与众不同的是它们的空间分辨率，”Kolkowitz说。“这对于从外来材料中成像磁场或查看单个蛋白质的结构很有用。”

借助Kolkowitz团队同时检测多个点磁场强度的新方法，科学家们有朝一日能够绘制出原子级磁性随时间和空间的变化。

怎么运行的

团队是如何进行这些信息丰富的测量的?他们变得颗粒状。

研究人员并没有对许多原始值进行平均以得出整体磁场强度，而是跟踪每个NV中心的单独读数，然后对这两个列表应用称为“协方差”的数学操作。

比较协方差计算的数字——比几个原始平均值捕获更多细节——让他们看看这些字段是否相关。

Kolkowitz说：“我们采用与过去不同的方式进行平均，因此我们不会在平均过程中丢失这些信息，这就是这里的特别之处。”

那么，为什么协方差磁力测量法(这种方法被称为)之前没有经过测试呢?

首先，该团队必须建立一个实验装置，以便在多个NV中心进行同步测量。这台显微镜是由普林斯顿大学的团队建造的，该团队由NathaliedeLeon教授领导，NathaliedeLeon教授是量子优势联合设计中心的成员，该中心是另一个DOE国家量子信息科学研究中心，由布鲁克海文国家实验室领导。

另一方面，只有当这些微小磁场的单独测量非常可靠时，协方差磁力测量才起作用。(读数仅与其贡献的测量值一样好。)这就是为什么研究人员使用了一种称为自旋电荷转换的特殊技术，与其他常用工具相比，该技术可产生原始读数，其中包含有关每次测量的更多磁场信息。

使用自旋电荷转换，单个测量需要更长的时间。这是科学家为获得更高可靠性而付出的代价。

然而，当结合协方差来测量微小的相关磁场时，它可以节省大量时间。

Kolkowitz说：“使用传统方法，你必须连续10天取平均值才能得到一个数据，说明你看到了这种相关的纳特斯拉信号，而使用这种新方法，只需一两个小时。“

通过将协方差信息与自旋电荷转换相结合，研究人员可以获得他们以前没有的原子和亚原子细节，从而增强本已强大的量子传感能力。

“据我所知，这是人们从未尝试过的事情，这就是为什么我们在其他人无法看到的地方看到了这些相关性，”Kolkowitz说。“你真的赢了。”

　　免责声明：本文由用户上传，与本网站立场无关。财经信息仅供读者参考，并不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担。 如有侵权请联系删除！