- Une équipe de recherche a développé une nouvelle méthode pour déterminer si des champs magnétiques captés par des capteurs quantiques sont corrélés ou indépendants.
- Les capteurs quantiques peuvent détecter des signaux minuscules à l'échelle atomique, ce qui pourrait avoir un impact important dans divers domaines tels que la médecine et la navigation.
- La nouvelle méthode utilise plusieurs lectures simultanées de deux capteurs pour obtenir des informations sur la relation entre les champs magnétiques et déterminer s'ils proviennent de la même source.
Une équipe de recherche soutenue par le centre de recherche quantique Q-Following démontre une nouvelle façon d’utiliser des capteurs quantiques pour démêler les relations entre les champs magnétiques microscopiques.
Supposons que vous remarquiez une chute soudaine de la température sur les thermomètres de votre terrasse et de votre delicacies. Au début, vous pensez que c’est à bring about d’un coup de froid, alors vous augmentez le chauffage de votre maison. Alors vous vous rendez compte que si l’extérieur est effectivement devenu moreover froid, à l’intérieur, quelqu’un a laissé la porte du réfrigérateur ouverte.
Reconnaître quand les lectures sont corrélées est vital non seulement pour votre facture de chauffage domestique, mais pour toute la science. C’est particulièrement difficile lors de la mesure des propriétés des atomes.
Les scientifiques ont maintenant développé une méthode, rapportée dans Science, qui leur permet de voir si les champs magnétiques détectés par une paire de capteurs quantiques à l’échelle atomique sont corrélés ou non.
“Pour autant que je sache, c’est quelque selected que les gens n’avaient pas essayé de faire, et c’est pourquoi nous voyons ces corrélations là où personne d’autre n’a pu le faire. Vous y gagnez vraiment.” — Shimon Kolkowitz, Université du Wisconsin-Madison
La recherche a été financée en partie par Q-Future, un centre de recherche nationwide en sciences de l’information quantique du département américain de l’énergie (DOE) dirigé par le laboratoire nationwide d’Argonne du DOE.
La capacité de faire la difference entre les environnements autonomes et corrélés à l’échelle atomique pourrait avoir d’énormes impacts sur la médecine, la navigation et la science de la découverte.
Ce qui s’est passé
Une équipe de scientifiques de l’Université de Princeton et de l’Université du Wisconsin-Madison a développé et démontré une nouvelle method pour déterminer si les champs magnétiques captés par plusieurs capteurs quantiques sont corrélés entre eux ou indépendants.
L’équipe s’est concentrée sur un type de capteur à base de diamant appelé centre de lacune d’azote, ou centre NV, qui consiste en un atome d’azote à côté d’un trou de la taille d’un atome dans le cristal d’atomes de carbone qui composent le diamant.
En règle générale, les scientifiques mesurent l’intensité du champ magnétique à un seul centre NV en faisant la moyenne de plusieurs lectures. Ou ils pourraient prendre une lecture moyenne de plusieurs centres NV à la fois.
Bien qu’utiles, les valeurs moyennes ne fournissent qu’une quantité limitée d’informations. Sachant que la température moyenne dans le Wisconsin sera de 42 degrés Fahrenheit demain, cela ne vous dit pas grand-chose à quel point il fera plus froid la nuit ou dans la partie nord de l’État.
“Si vous voulez apprendre non seulement la valeur du champ magnétique à un endroit ou à un instant donné, mais s’il existe une relation entre le champ magnétique à un endroit et le champ magnétique à un autre à proximité – il n’y avait pas vraiment un bon moyen de le faire avec ces centres NV », a déclaré le co-auteur de l’article, Shimon Kolkowitz, professeur agrégé à l’Université du Wisconsin-Madison et collaborateur de Q-Upcoming.
La nouvelle méthode de l’équipe utilise plusieurs lectures simultanées de deux centres NV. En utilisant des methods sophistiquées de calcul et de traitement du signal, ils ont obtenu des informations sur la relation entre les champs magnétiques aux deux details et ont pu dire si les deux lectures provenaient de la même supply.
“Est-ce qu’ils voyaient le même champ magnétique? Est-ce qu’ils voyaient un champ magnétique différent? C’est ce que nous pouvons obtenir de ces mesures”, a déclaré Kolkowitz. “Ce sont des informations utiles auxquelles personne n’avait accès auparavant. Nous pouvons faire la différence entre le champ world wide que les deux capteurs voyaient et ceux qui étaient locaux.”
Pourquoi est-ce important
Les capteurs quantiques exploitent les propriétés quantiques des atomes ou des systèmes semblables à des atomes pour capter de minuscules signaux, tels que les champs magnétiques résultant du mouvement d’électrons uniques. Ces champs sont chétifs : 100 000 fois furthermore faibles que celui d’un aimant de réfrigérateur. Seuls des outils ultrasensibles tels que les capteurs quantiques peuvent effectuer des mesures aux furthermore petites échelles de la mother nature.
Les capteurs quantiques devraient être puissants. Les centres NV, par exemple, peuvent distinguer des caractéristiques séparées par à peine un dix millième de la largeur d’un cheveu humain. Avec ce variety de capacité d’hyperzoom, les centres NV pourraient être placés dans des cellules vivantes pour un examen approfondi de leur fonctionnement. Les scientifiques pourraient même les utiliser pour identifier les triggers de la maladie.
“Ce qui rend les NV spéciaux, c’est leur résolution spatiale”, a déclaré Kolkowitz. “C’est utile pour l’imagerie des champs magnétiques à partir d’un matériau exotique ou pour voir la construction de protéines individuelles.”
Avec la nouvelle méthode de l’équipe de Kolkowitz pour détecter les intensités de champ magnétique en plusieurs details simultanément, les scientifiques pourraient un jour être en mesure de cartographier les changements de niveau atomique dans le magnétisme à travers le temps et l’espace.
Remark ça fonctionne
Comment l’équipe a-t-elle effectué ces mesures informatives ? Ils sont devenus granuleux.
Plutôt que de faire la moyenne sur de nombreuses valeurs brutes pour arriver à l’intensité globale du champ magnétique, les chercheurs ont suivi les lectures individuelles à chaque centre NV, puis ont appliqué une manœuvre mathématique appelée “covariance” aux deux listes.
La comparaison des chiffres calculés par covariance – qui capturent furthermore de détails que quelques moyennes brutes – leur a permis de voir si les champs étaient corrélés.
“Nous faisons cette moyenne différemment de ce qui a été fait dans le passé, donc nous ne perdons pas ces informations dans le processus de calcul de la moyenne”, a déclaré Kolkowitz. “Cela fait partie de ce qui est spécial ici.”
Alors pourquoi la magnétométrie de covariance, comme on appelle la méthode, n’a-t-elle pas été testée auparavant ?
D’une element, l’équipe a dû construire une configuration expérimentale pour prendre des mesures simultanées dans plusieurs centres NV. Ce microscope a été construit par l’équipe de Princeton, dirigée par la professeure Nathalie de Leon, membre du Co-Design Heart for Quantum Advantage, un autre centre nationwide de recherche en sciences de l’information quantique du DOE, dirigé par le Brookhaven Nationwide Laboratory.
D’autre element, la magnétométrie de covariance ne fonctionne que lorsque les mesures individuelles de ces minuscules champs magnétiques sont très fiables. (Une lecture est seulement aussi bonne que ses mesures contributives.) C’est pourquoi les chercheurs ont utilisé une approach spéciale appelée conversion spin-to-cost, qui produit une lecture brute avec in addition d’informations sur le champ magnétique pour chaque mesure que d’autres outils couramment utilisés.
Avec la conversion spin-charge, les mesures individuelles prennent additionally de temps. C’est le prix que les scientifiques paient pour une in addition grande fiabilité.
Cependant, lorsqu’il est combiné avec la covariance pour mesurer de minuscules champs magnétiques corrélés, il permet de gagner beaucoup de temps.
En intégrant les informations de covariance à la conversion spin-charge, les chercheurs peuvent accéder à des détails atomiques et subatomiques qu’ils n’avaient pas auparavant, renforçant ainsi les capacités déjà puissantes de la détection quantique.
“Pour autant que je sache, c’est quelque selected que les gens n’avaient pas essayé de faire, et c’est pourquoi nous voyons ces corrélations là où personne d’autre n’a pu le faire”, a déclaré Kolkowitz. “Vous y gagnez vraiment.”
Ce travail a été soutenu par le DOE Office environment of Science Nationwide Quantum Facts Science Study Facilities dans le cadre du centre Q-Upcoming, la Countrywide Science Foundation, la Princeton Catalysis Initiative, le DOE, Place of work of Science, Workplace of Basic Power Sciences, un Princeton Quantum Initiative Postdoctoral Fellowship et le programme de bourses de recherche postdoctorale de la communauté du renseignement de l’Oak Ridge Institute for Science and Training dans le cadre d’un accord interinstitutions entre le département américain de l’énergie et le bureau du directeur du renseignement countrywide.
