麻省理工学院的研究人员开发出一种新型固态量子传感器，能够同时测量多个参数。这一方法有望增进我们对材料与生命系统内部原子和电子的理解。
量子传感器能测量系统组件的性质，其精度远超传统传感器。它们通过探测微小的量子信号实现这一目标，这些信号既能揭示细胞内部的工作机制，也能洞察宇宙深处的奥秘。更令人称道的是，量子传感器可在室温下工作。
不同于其他需要在接近绝对零度条件下运行的量子应用，量子传感器能够在室温下工作，实用性极强。然而，此类传感器此前一直存在一个重大局限——一次只能测量一个参数。如今，麻省理工学院的研究人员开发出了一种可同时进行多项测量的方法。
量子传感器利用纠缠、自旋态和叠加等量子特性，来测量系统内部的电场、重力、加速度、磁场等参数。
其中一种传感器使用金刚石中的氮空位中心进行测量。在此设置中，氮作为缺陷被引入金刚石晶格，且相邻的一个晶格位点是空缺的。
该缺陷允许对电子自旋进行光学读出，而电子自旋对磁场或温度的变化十分敏感。这便促成了高分辨率测量。然而，自旋共振的变化可能由多种因素引起，因此很难同时测量它们。
“如果你一次只能测量一个量，那就必须一遍遍地重复实验，逐个测量。”麻省理工学院核科学专业研究生矶川拓也解释道，“这会耗费更多时间，也意味着灵敏度更低。同时，实验也更容易出错。”
在实验装置中，麻省理工学院的研究人员使用激光测量氮空位中心的荧光，并用微波天线测量其电子自旋。此外，他们还利用射频场测量氮原子的自旋，从而增加了可用于测量的量子比特数量。
通过一种名为“贝尔态测量”的技术，两个量子比特实现了对三个参数的同时测量。由于传感器量子比特与其辅助量子比特的自旋处于纠缠态，该系统十分可靠。
麻省理工学院的研究人员一次性测得了微波磁场的幅度、失谐量和相位，并且确信该系统未来还可用于测量电场、温度、压力和应变。
“氮空位中心传感器具有极高的空间分辨率和多功能性。它能测量众多不同的物理量。”矶川拓也在新闻稿中补充道，“氮空位中心量子传感器真正特别之处在于它们能在室温下工作，非常适用于生物测量或凝聚态物理实验。”
研究人员承认，这些测量目前尚缺乏高精度，他们计划在未来的工作中解决这一问题。此外，他们还希望利用量子传感器来表征非均质材料。
