Multitasking Quantensensor misst mehrere Größen gleichzeitig

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Forschende am MIT haben einen Quantensensor entwickelt, der mehrere physikalische Größen gleichzeitig erfassen kann. Durch die Nutzung von Verschränkung liefert er präzisere und schnellere Messungen – ein wichtiger Schritt für Anwendungen in Biomedizin, Materialforschung und Physik.

Eine besondere Klasse von Sensoren nutzt Quanteneigenschaften, um kleinste Signale auf einem Niveau zu messen, das mit klassischen Sensoren allein unmöglich wäre. Ein solcher Quantensensor ist in der Lage, sowohl die inneren Abläufe von Zellen als auch die äußeren Tiefen des Universums zu untersuchen.

Besonders vielversprechend sind Festkörper-Quantensensoren, die bei Raumtemperatur arbeiten können. Leider messen die meisten heutigen Festkörper-Quantensensoren jeweils nur eine physikalische Größe – etwa das Magnetfeld, die Temperatur oder mechanische Spannungen in einem Material. Versucht man, gleichzeitig sowohl das Magnetfeld als auch die Temperatur eines Materials zu messen, überlagern sich die Signale und die Messungen werden unzuverlässig.

Nun haben Forschende am MIT eine Methode entwickelt, mit der sich mehrere physikalische Größen gleichzeitig mit einem Festkörper-Quantensensor messen lassen. Dies gelang durch die Nutzung von Verschränkung, bei der Teilchen zu einem gemeinsamen Quantenzustand korreliert werden. In einer neuen Veröffentlichung in PRX Quantum demonstrierte das Team seinen Ansatz an einem häufig verwendeten Quantensensor bei Raumtemperatur und maß dabei Amplitude, Frequenz und Phase eines Mikrowellenfeldes in einer einzigen Messung. Zudem zeigten sie, dass dieser Ansatz besser funktioniert als das sequenzielle Messen jeder einzelnen Eigenschaft oder die Nutzung herkömmlicher Sensoren.

Die Forschenden sagen, dass dieser Ansatz Quantensensoren ermöglichen könnte, die unser Verständnis des Verhaltens von Atomen und Elektronen in Materialien sowie in lebenden Systemen wie Krebszellen vertiefen.

Mehrparameter-Schätzungen in einem anwendungsorientierten Setup

„Quantenschätzung mehrerer Parameter war bislang größtenteils theoretisch“, sagt der Co-Hauptautor der Arbeit, Takuya Isogawa, Doktorand im Bereich Kerntechnik. „Es gab nur sehr wenige Experimente, die dies tatsächlich demonstriert haben, und diese konzentrierten sich auf Photonen. Wir wollten die Mehrparameter-Schätzung in einem anwendungsorientierteren Setup demonstrieren: einem heute verwendeten Festkörper-Quantensensor.“

Neben Isogawa sind die Co-Hauptautoren Guoqing Wang (PhD ’23) und der MIT-Doktorand Boning Li. Weitere Autoren sind die ehemaligen Gaststudierenden 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 Ingenieurwesen am MIT, Professorin für Kerntechnik und Physik und Mitglied des Research Laboratory of Electronics.

Quanteneffekte für Messungen

Quantensensoren nutzen Quanteneffekte wie Verschränkung, Spin-Zustände und Superposition, um Veränderungen in Magnetfeldern, elektrischen Feldern, Gravitation, Beschleunigung und mehr zu messen. Dadurch können sie die Aktivität einzelner Moleküle auf eine Weise erfassen, die für Biologie und Weltraumforschung nützlich ist – etwa beim Verfolgen der Aktivität von Metaboliten oder Enzymen innerhalb von Zellen.

Ein besonders nützlicher Sensor in der Biologie nutzt sogenannte Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV-Zentren) in Diamanten. Dabei handelt es sich um einen Defekt, bei dem ein Kohlenstoffatom im Kristallgitter durch ein Stickstoffatom ersetzt wird und ein benachbarter Gitterplatz leer bleibt. Dieser Defekt beherbergt einen elektronischen Spin, dessen Übergangsfrequenzen optisch ausgelesen werden können. Der Spin-Zustand des NV-Zentrums ist äußerst empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie Magnetfeldern und Temperatur, die ihn messbar verändern.

Leider verändern unterschiedliche äußere Einflüsse die Energieresonanzen des Spins auf ähnliche Weise, was es schwierig macht, mehrere Effekte gleichzeitig zu messen. Daher messen die meisten Anwendungen von Festkörper-Quantensensoren jeweils nur eine physikalische Größe.

„Wenn man nur eine Größe gleichzeitig messen kann, muss man Experimente wiederholen, um die verschiedenen Größen nacheinander zu erfassen“, sagt Isogawa. „Das kostet Zeit, was die Empfindlichkeit reduziert, und macht die Experimente anfälliger für Fehler.“

Wie es funktioniert

Für ihr Experiment verwendeten die Forschenden NV-Zentren in einem fünf Quadratmillimeter großen Diamanten. Sie bestrahlten den Diamanten mit einem Laser und untersuchten dessen Fluoreszenz – ein gängiges Verfahren bei solchen Sensoren. Zur Untersuchung des elektronischen Spins nutzten sie eine Mikrowellenantenne, für den Spin des Stickstoffatoms ein Hochfrequenzfeld.

„Wir haben diese beiden Spins als zwei Qubits verwendet“, erklärt Isogawa und bezieht sich dabei auf die grundlegenden Bausteine von Quantencomputern. „Mit nur einem Qubit kann man nur ein Ergebnis messen: im Grunde 0 oder 1. Es ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Spin nach oben oder unten zeigt – wie ein Münzwurf. Mit zwei Qubits konnten wir die Anzahl der auswertbaren Parameter erhöhen.“

Das System funktioniert, weil die Spins des Sensor-Qubits und des Hilfs-Qubits verschränkt sind – ein Quanteneffekt, bei dem der Zustand eines Teilchens vom Zustand eines anderen abhängt. Mit einem Qubit erhält man ein binäres Ergebnis, mit zweien erhält man vier mögliche Ergebnisse und insgesamt drei bestimmbare Parameter.

Diese zwei Qubits ermöglichten es den Forschenden, die drei Größen gleichzeitig mithilfe einer Technik namens Bell-Zustandsmessung zu bestimmen.

Ein wichtiges Thema in der Festkörperphysik

Andere Forschende hatten diese Methode zuvor nur bei sehr niedrigen Temperaturen eingesetzt. Das MIT-Team entwickelte jedoch eine neue Technik, die diese Messung bei Raumtemperatur erlaubt. Diese Technik wurde ursprünglich von Wang vorgeschlagen, der früher Doktorand im Labor von Professorin Cappellaro war.

Mit diesem Ansatz konnten die Forschenden gleichzeitig die Amplitude, Verstimmung (Detuning) und Phase eines Mikrowellen-Magnetfeldes messen. Sie gehen davon aus, dass sich die Methode auch auf elektrische Felder, Temperatur, Druck und mechanische Spannungen anwenden lässt.

„Die gleichzeitige Messung dieser Parameter kann uns helfen, Spinwellen in Materialien zu untersuchen, was ein wichtiges Thema in der Festkörperphysik ist“, sagt Isogawa. „NV-Zentren bieten eine extrem hohe räumliche Auflösung und Vielseitigkeit. Sie können viele verschiedene physikalische Größen messen.“

Praktischere Quantensensorik

Die Forschenden sehen in dieser Arbeit einen wichtigen Schritt hin zum Einsatz von Festkörper-Quantensensoren zur umfassenderen Charakterisierung von Systemen in der biomedizinischen Forschung und Materialwissenschaft. Denn die Mehrparameter-Schätzung wurde bisher weder in realistischen Umgebungen noch in weit verbreiteten Quantensensoren demonstriert.

„Was NV-Zentren so besonders macht, ist, dass sie bei Raumtemperatur arbeiten können“, sagt Isogawa. „Das macht sie sehr geeignet für biologische Messungen oder Experimente in der Festkörperphysik.“

Wie sich die Genauigkeit weiter steigern lässt

Obwohl der Sensor in dieser Arbeit noch nicht für jede Größe die höchstmögliche Präzision erreicht, planen die Forschenden, künftig zu untersuchen, ob sich die Genauigkeit weiter steigern lässt. Außerdem wollen sie erforschen, wie gut sich der Ansatz zur Charakterisierung heterogener Materialien eignet.

„In einer sehr homogenen Umgebung könnte man viele verschiedene klassische und Quantensensoren gleichzeitig einsetzen und jede physikalische Größe separat messen“, sagt Isogawa. „Aber wenn sich die Größen räumlich unterschiedlich verändern, braucht man Sensoren mit hoher räumlicher Auflösung – und einen Sensor, der mehrere Größen gleichzeitig messen kann. In solchen Fällen hat dieser Ansatz große Vorteile.“

Die Arbeit wurde teilweise von der U.S. National Science Foundation, der National Research Foundation of Korea und dem Research Grants Council of Hong Kong unterstützt.

Autor: Zach Winn, MIT News

Publikation: Entanglement-Assisted Multiparameter Estimation with a Solid-State Quantum Sensor: https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/kqfr-bbfx

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