Sensor quântico detecta sinais eletromagnéticos de qualquer frequência

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/06/2022

Técnica de funcionamento do "multímetro quântico".
[Imagem: Guoqing Wang et al. - 10.1103/PhysRevX.12.021061]

Sensores quânticos

Sensores quânticos são aqueles que usam partículas em nível atômico ou subatômico para detectar as menores variações em campos magnéticos ou elétricos, viabilizando medições com uma precisão inalcançável com os melhores equipamentos de laboratório atuais.

Eles podem assumir a forma de átomos neutros, íons e spins de estado sólido, já tendo sido usados para investigar estados exóticos da matéria, incluindo os cristais de tempo, fases topológicas, memórias quânticas experimentais e componentes avançados de computação.

Até agora, contudo, esses sensores só eram capazes de detectar frequências específicas dos campos eletromagnéticos, dependendo da partícula que se utiliza como sonda, o que limita sua utilidade e impede a construção de aparelhos de medição mais versáteis.

Agora, Guoqing Wang e seus colegas do MIT desenvolveram uma técnica que permite que esses sensores detectem qualquer frequência arbitrária, sem qualquer perda na sua capacidade de medir coisas em escala nanométrica.

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O aparato experimental usado pela equipe fez medições em um qubit natural existente no diamante.
[Imagem: Guoqing Wang]

Rumo a um multímetro quântico

O novo sensor que a equipe desenvolveu, que eles chamam de misturador quântico, injeta uma segunda frequência no detector usando um feixe de micro-ondas.

Isso converte a frequência do campo que está sendo estudado em uma frequência diferente - a diferença entre a frequência original e a do sinal adicionado. E o ajuste é feito de modo a sintonizar na frequência específica na qual o sensor é mais sensível.

Esse processo simples permite que o detector se aproxime de qualquer frequência desejada, sem perda na resolução espacial em nanoescala do sensor.

Em seus experimentos, a equipe usou um dispositivo específico baseado em uma matriz de centros de vacância de nitrogênio no diamante, um sistema amplamente utilizado não apenas como sensor, mas também em computação quântica. Eles demonstraram a detecção de um sinal com uma frequência de 150 megahertz, usando um detector de qubit com frequência de 2,2 gigahertz - uma detecção que seria impossível sem o multiplexador quântico.

"O mesmo princípio também pode ser aplicado a qualquer tipo de sensor ou dispositivos quânticos," garante o professor Wang, citando como exemplo a caracterização detalhada de uma antena de microondas usada em telecomunicações. "Ele pode caracterizar a distribuição do campo [gerado pela antena] com resolução em nanoescala, então ele é muito promissor nessa direção."

E a equipe já está explorando maneiras de expandir o sensor, para que ele se torne capaz de sondar uma faixa de frequências de uma só vez, em vez da segmentação de frequência única do sistema atual.

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