Des capteurs quantiques polyvalents peuvent mesurer plusieurs propriétés simultanément

Zach Winn

Une classe spéciale de capteurs exploite les propriétés quantiques pour mesurer des signaux infimes à des niveaux qui seraient impossibles avec les seuls capteurs classiques. Ces capteurs quantiques sont actuellement utilisés pour étudier le fonctionnement interne des cellules et les confins de notre univers.

Les capteurs quantiques à l’état solide, qui peuvent fonctionner à température ambiante, sont particulièrement prometteurs. Malheureusement, la plupart d’entre eux ne mesurent aujourd’hui qu’une seule grandeur physique à la fois – comme le champ magnétique, la température ou la contrainte dans un matériau. Tenter de mesurer simultanément le champ magnétique et la température d’un matériau brouille leurs signaux et rend les mesures peu fiables.

Désormais, des chercheurs du MIT ont créé une méthode pour mesurer simultanément plusieurs grandeurs physiques avec un capteur quantique à l’état solide. Ils y sont parvenus en exploitant l’intrication quantique, où des particules deviennent corrélées en un seul état quantique. Dans un nouvel article publié dans PRX Quantum, l’équipe a démontré sa méthode avec un capteur quantique couramment utilisé à température ambiante, mesurant l’amplitude, la fréquence et la phase d’un champ micro-ondes en une seule mesure. Ils ont également montré que cette méthode fonctionne mieux que la mesure séquentielle de chaque propriété ou que l’utilisation de capteurs traditionnels.

Les chercheurs affirment que cette approche pourrait permettre à des capteurs quantiques d’approfondir notre compréhension du comportement des atomes et des électrons à l’intérieur des matériaux et des systèmes vivants, comme les cellules cancéreuses.

« L’estimation quantique multiparamètres a été jusqu’à présent principalement théorique », explique Takuya Isogawa, co-auteur principal de l’article et étudiant diplômé en science et génie nucléaires. « Il y a eu très peu d’expériences qui la démontrent réellement, et ces travaux se concentraient sur les photons. Nous voulions démontrer l’estimation multiparamètres dans une configuration plus orientée vers les applications : un capteur quantique à l’état solide utilisé aujourd’hui ».

Sont co-auteurs principaux de l’article avec Isogawa : Guoqing Wang PhD ’23 et le doctorant du MIT Boning Li. Les autres auteurs sont les anciens étudiants invités du MIT Zhiyao Hu et Ayumi Kanamoto ; le doctorant de l’Université de Tokyo Shunsuke Nishimura ; le professeur de l’Université chinoise de Hong Kong Haidong Yuan ; et Paola Cappellaro, professeure Ford d’ingénierie au MIT, professeure de science et génie nucléaires et de physique, et membre du Research Laboratory of Electronics.

Effets quantiques pour la mesure

Les capteurs quantiques exploitent des effets quantiques comme l’intrication, les états de spin et la superposition pour mesurer les changements dans les champs magnétiques, les champs électriques, la gravité, l’accélération, et plus encore. En tant que tels, ils peuvent être utilisés pour mesurer l’activité de molécules uniques, ce qui est utile pour comprendre la biologie et l’espace, comme le suivi de l’activité des métabolites ou des enzymes à l’intérieur des cellules.

Un capteur particulièrement utile en biologie exploite ce qu’on appelle les centres azote-lacune (NV) dans les diamants, un défaut où un atome de carbone du réseau cristallin du diamant est remplacé par un atome d’azote, et un site voisin du réseau est manquant, ou vacant. Le défaut héberge un spin électronique dont les fréquences de transition peuvent être lues optiquement. L’état de spin du centre NV est extrêmement sensible aux effets externes, tels que les champs magnétiques et la température, qui peuvent déplacer l’état de spin de manière mesurable avec une très haute résolution.

Malheureusement, différents effets externes modifient les résonances d’énergie du spin de manière similaire, rendant difficile la mesure simultanée de plusieurs effets. Le résultat est que la plupart des applications de capteurs quantiques à l’état solide mesurent une seule grandeur physique à la fois.

« Si vous ne pouvez mesurer qu’une seule grandeur à la fois, vous devez répéter les expériences pour mesurer les grandeurs une par une », souligne Isogawa. « Cela prend plus de temps, ce qui signifie une sensibilité réduite. Cela rend aussi les expériences plus sujettes aux erreurs ».

Pour leur expérience, les chercheurs ont utilisé des centres NV à l’intérieur d’un diamant de 5 millimètres carrés. Ils ont pointé un laser dans le diamant et étudié sa fluorescence pour effectuer leurs mesures, une approche courante pour de tels capteurs. Pour étudier le spin électronique du centre NV, ils ont utilisé une antenne micro-ondes. Pour étudier le spin de l’atome d’azote, ils ont utilisé un champ radiofréquence.

« Nous avons utilisé ces deux spins comme deux qubits », explique Isogawa, en référence aux briques de base des systèmes informatiques quantiques. « Avec un seul qubit, vous ne pouvez mesurer qu’un seul résultat : essentiellement, 0 ou 1. C’est la probabilité qu’il tourne vers le haut ou vers le bas. Pensez-y comme à un lancer de pièce, avec la probabilité d’obtenir pile ou face. Avec deux qubits, nous avons augmenté le nombre de paramètres que nous pouvions extraire ».

Le système a fonctionné parce que les spins du qubit du capteur et du qubit auxiliaire étaient intriqués, une propriété quantique où l’état d’une particule dépend d’une autre. Avec un qubit, vous obtenez un résultat binaire. Avec deux, vous obtenez quatre résultats possibles avec un total de trois paramètres possibles.

Les deux qubits ont permis aux chercheurs de mesurer simultanément ces trois quantités en utilisant une technique connue sous le nom de mesure d’état de Bell.

D’autres chercheurs avaient utilisé la mesure d’état de Bell à des températures extrêmement basses auparavant, mais les chercheurs du MIT ont développé une nouvelle technique pour effectuer la mesure à température ambiante. Cette technique a d’abord été proposée par Wang, qui était auparavant un étudiant diplômé du laboratoire du professeur Cappellaro.

Les chercheurs ont utilisé cette approche pour mesurer simultanément l’amplitude, le désaccord et la phase d’un champ magnétique micro-ondes. Ils affirment également que l’approche pourrait être utilisée pour mesurer les champs électriques, la température, la pression et la contrainte.

« Mesurer ces paramètres simultanément peut nous aider à explorer les ondes de spin dans les matériaux, un sujet important en physique de la matière condensée », ajoute Isogawa. « Les capteurs à centre NV ont une résolution spatiale et une polyvalence extrêmement élevées. Ils peuvent mesurer beaucoup de grandeurs physiques différentes ».

Une détection quantique plus pratique

Les chercheurs affirment que ce travail est une étape importante vers l’utilisation de capteurs quantiques à l’état solide pour caractériser plus complètement les systèmes en recherche biomédicale et en caractérisation des matériaux. En effet, l’estimation multiparamètres n’avait jamais été réalisée dans des conditions réalistes ou avec des capteurs quantiques largement utilisés.

« Ce qui rend les capteurs quantiques à centre NV si spéciaux, c’est qu’ils peuvent fonctionner à température ambiante », explique Isogawa. « Ils sont très adaptés aux mesures biologiques ou aux expériences de physique de la matière condensée ».

Bien que les chercheurs indiquent que leur capteur n’a pas mesuré chaque grandeur avec la plus haute précision possible, dans de futurs travaux, ils prévoient d’explorer si leur approche peut atteindre une précision plus élevée pour chaque paramètre.

Ils prévoient également d’explorer comment leur approche fonctionne pour caractériser des matériaux hétérogènes.

 Dans un environnement extrêmement uniforme, vous pourriez utiliser de nombreux capteurs classiques et quantiques différents et mesurer chaque grandeur physique en même temps », note Isogawa. « Mais si les grandeurs physiques changent à différents endroits, vous avez besoin de capteurs à haute résolution spatiale, et d’un capteur qui peut mesurer plusieurs grandeurs physiques. Cette approche présente des avantages majeurs dans de telles situations ».

Article : « Entanglement-Assisted Multiparameter Estimation with a Solid-State Quantum Sensor » – Journal : PRX Quantum – DOI : Lien vers l’étude

Source : MIT