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MIT在芯片上打造量子傳感器 或將取代GPS

RFID世界網 2019-10-31 14:03:28

[導讀] 美國麻省理工學院(MIT)的研究人員首次在硅芯片上打造了一種基于金剛石的量子傳感器,從而能夠為低成本、可擴展的量子計算、傳感和通信硬件鋪平道路。

據外媒報道,美國麻省理工學院(MIT)的研究人員首次在硅芯片上打造了一種基于金剛石的量子傳感器,從而能夠為低成本、可擴展的量子計算、傳感和通信硬件鋪平道路。

 

 

麻省理工學院的研究人員使用傳統的制造技術(如圖所示)在硅芯片上制造了基于鉆石的量子傳感器,該技術可以實現低成本的量子硬件。

金剛石中的“氮空位(NV)中心”是一種電子的缺陷,能夠被光和微波操縱。作為響應,它們發射出彩色光子,其中攜帶有有關周圍磁場和電場的量子信息,可用于生物傳感、神經成像、物體檢測和其他傳感應用。但是,傳統的基于NV的量子傳感器大約只有一張廚房桌子那么大,其昂貴的分立元器件限制了其實用性和可擴展性。

在《自然電子》上發表的一篇論文中,研究人員找到了一種方法,使用傳統的半導體制造技術,將所有笨重、體積龐大的組件(包括微波發生器、濾光器和光電探測器等)都集成到一個尺寸只有毫米大小的包裝中。值得注意的是,該傳感器能夠在室溫下運行,具有檢測磁場方向和強度的能力。

研究人員展示了該傳感器在磁力計中的用途,這意味著他們能夠測量由于周圍磁場引起的原子尺度的頻率變化,而周圍磁場可能會包含有關周圍環境的信息。通過進一步完善,該傳感器還可用于其他領域,如繪制大腦中的電脈沖圖、在漆黑的環境中探測物體等。

電氣工程和計算機科學系(EECS)的研究生克里斯托弗·佛伊(Christopher Foy)說:“一般傳感器很難阻擋磁場,因此對于量子傳感器而言,這是一個巨大的優勢。如果有車輛在您下方的地下隧道中行駛,即使您在那兒看不到它,也可以將其檢測出來。”

收縮和堆疊

如果金剛石晶格結構中兩個相鄰位置的碳原子消失,其中一個原子被氮原子取代,另一個位置“缺失”,就會造成NV中心,導致結構中缺失了鍵,而此類結構中的電子會對周圍環境中的電、磁和光學特性的微小變化極其敏感。

NV中心本質上是一個具有原子核和周圍電子的原子。它還具有光致發光特性,這意味著它能夠吸收并發射彩色光子。掃過整個NV中心的微波可以讓其改變狀態(正、中性和負),進而改變其電子的自旋。然后,根據自旋,NV中心又會發出不同數量的紅色光子。

一種稱為光學檢測磁共振(ODMR)的技術可以測量出NV中心與周圍磁場相互作用后發射出的光子數量。這種相互作用產生了有關磁場的更多可量化信息。為了實現這一切,傳統傳感器需要龐大的組件,包括激光器、電源、微波發生器、用于引導光和微波的導體、光學濾波器傳感器以及讀數組件。

不過,MIT研究人員開發了一種新型的芯片體系結構,可以使用標準的互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術,以某種方式定位和堆疊微小的廉價組件,因此新型的芯片體系的功能類似于那些龐大的組件。研究人員說:“ CMOS技術可以在芯片上實現非常復雜的3-D結構, 我們可以在芯片上創建一個完整的系統,并且頂部只需要一塊金剛石和綠色激光即可,這可以是常規的芯片級LED。”

金剛板中的NV中心位于芯片的“傳感區”中,小型綠色激光器會激發NV中心,同時靠近NV中心放置的納米線則響應電流而產生掃掠微波?;緛碚f,激光和微波會配合工作,使NV中心發出不同數量的紅色光子,而差值就是研究人員實驗中需要的目標信號。

在NV中心下方是一個光電二極管,能夠消除噪聲并測量光子。在金剛石和光電二極管之間是一個金屬光柵,它可以充當過濾器,吸收綠色激光光子,同時允許紅色光子到達光電二極管。簡而言之,這將能在芯片上啟用ODMR器件,該器件可以測量帶有周圍磁場信息的紅色光子的共振頻率偏移。

但是,一個芯片如何完成大型計算機的工作?一個關鍵技巧就是移動產生微波的導線,使其與NV中心保持最佳距離。即使芯片非常小,該精確的距離也可使線電流產生足夠的磁場來操縱電子。同時,微波導線和電路在設計中都被考慮在內,而且被緊密集成至芯片中。在他們的論文中,研究人員表示,其設計能夠產生足夠的磁場,用于目標探測。

只是開始

在今年早些時候,在國際固態電路會議上,研究人員還介紹了第二代傳感器,該傳感器對其設計進行了各種改進,以實現100倍高的靈敏度。研究人員表示,接下來,他們致力于如何將靈敏度提高1000倍,他們目前已有了基本的路線圖:即要擴大芯片的尺寸以增加NV中心的密度,這決定了靈敏度。

如果研發能夠成功,該傳感器甚至可以用于神經成像應用。這意味著將傳感器放在神經元附近,檢測激發神經元的強度和方向,從而幫助研究人員繪制神經元之間的聯系,并查看哪些神經元相互觸發。未來的其他應用還包括替換車輛和飛機的GPS,由于能夠很好地繪制出地球磁場,量子傳感器就能成為極其精確的指南針,即使在沒有GPS的環境中也是如此。

研究人員說:“這只是成就的開始。這是一段漫長的旅程,但是我們已經有了兩個里程碑,分別是第一代和第二代傳感器。我們計劃從傳感到通信再到計算。”

哈佛大學高級講師羅恩·沃爾斯沃思(Ron Walsworth)說:“我對這種量子傳感器技術充滿熱情,并預見了它將在多個領域產生重大影響。他們在量子金剛石傳感器與CMOS技術集成方面邁出了關鍵的一步,其中包括片上微波的產生和傳輸,以及片上過濾和檢測金剛石中量子缺陷中攜帶信息的熒光燈。下一步將是進一步提高量子金剛石傳感器的靈敏度和帶寬,并將CMOS金剛石傳感器與包括化學分析、NMR光譜和材料表征在內的廣泛應用結合起來。”


[整理編輯:CK365測控網]
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