Jennifer Choy在威斯康星大学麦迪逊分校的实验室开发改进量子传感器的技术。图片来源：Sabrina Wu/威斯康星大学麦迪逊分校
Jennifer Choy制造原子大小的天线。它们与通过便携式立体声传输流行歌曲的伸缩杆没有任何相似之处。但在功能上，它们是相似的。它们是量子传感器，拾取微小的电磁信号，并以我们可以测量的方式中继它们。
信号有多小？量子传感器可以识别人体组织单个细胞的温度变化，甚至可以辨别来自地球核心的磁场。
威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin–Madison）的科学家詹妮弗·蔡（Jennifer Choy）正在开发技术，这些技术可以导致超精确的加速度计和磁力计，用于导航和探测材料电磁场的微小变化。
“你可以把这些量子传感器想象成一个原子级的探测器，让你对磁场的真正局部变化保持敏感，”Choy说。“你可以扩展你的测量范围，以探测宏观磁性特征和其他物理参数，如机械应变和温度。
利用原子的量子性质 - 仅在自然界的最小尺度上显示自己 - 以及它们对外部干扰的敏感性，这些传感器表现出非凡的准确度和精确度，使它们的传统对应物相比之下看起来像钝器。
对于Choy来说，挑战在于提高这些无形仪器传输信息的效率。她说，这项研究等同于物理发现和工程。
“我发现这项工作令人兴奋，因为它非常适合我进行的那种大杂烩培训，”Choy说，他是Q-NEXT的成员，Q-NEXT是美国能源部（DOE）国家量子信息科学研究中心，由DOE的阿贡国家实验室领导，以及国家科学基金会的量子飞跃挑战混合量子架构和网络研究所。 或 HQAN。“我是一名训练有素的应用物理学家，我不会把自己归类为纯粹的物理学家或工程师。但我真的很喜欢基础科学和工程工作的交集。
光和物质
Choy致力于量子传感器，其中量子材料中的电子充当天线。它们拾取的信息可以通过它们与光子的相互作用来读取，光子是携带电磁信息的无质量粒子。
电子和光子之间的握手越牢固，传输越清晰。
当电子接收到特定的信号时，它会吸收光子的能量。砰！通电的电子火箭在原子能阶梯上达到更高的梯级。当需要耗散能量时，电子从上层下降到地面 - thwop！- 并且被压抑的能量作为特定颜色的光子释放出来。
科学家们读取光，测量其属性 - 例如强度和波长 - 以解释原始信号。
色彩中心
作为Q-NEXT的成员，Choy正在设计传感器，这些传感器在金刚石中采用原子大小的孔的形式，这些孔是由去除单个碳原子产生的。空位和相邻的原子一起捕获了来自相邻原子的一对电子 - 原子天线。
电子吸收的能量赋予材料特定的色调，这就是为什么这些基于空位的传感器通常被称为色心。
被捕获电子的能量对附近的磁场、温度和应变变化特别敏感。然而，它们的灵敏度也使它们容易受到其他环境因素的影响，这些因素可能会降低测量性能。这就是为什么工程色彩中心是一种微妙的平衡行为：一方面确保电子对传感目标做出强烈响应，另一方面最大限度地减少对不需要的背景噪声的反应。
Choy研究材料生长过程和表征技术，以从色彩中心获得最佳性能。
她还在设计结构，可以有效地将光子引入和传出这些颜色中心，从而提高传感器收集信号和发光的能力。电子吸收和发射光子的速度越大，信号就越强。
正如清晰、零延迟的视频可以带来更快乐的Zoom体验一样，清晰、无延迟的信号传输也可以带来更有用的量子传感器。
在金刚石中可以实现的不同光子结构听起来像复杂的原子级修补玩具：纳米线;在空位附近施加微小的金属谐振器;一层专门设计的硅，添加在钻石顶部。
这些建筑奇迹中的每一个都旨在促进电子光子握手。
“在过去十年中，用于传感的色彩中心已经扩展到生物传感，凝聚态研究和暗物质检测等各种方向，它仍然是一个在基础和应用研究方面都很丰富的领域，”Choy说。
量子融合
作为HQAN的成员，Choy正在开发一类不同的量子器件，称为量子超材料。
量子超材料依赖于紧密排列的光子发射原子的集合。这些量子发射器可以是中性原子，带电原子或颜色中心等系统。
它们在与共模光相互作用时表现出集体行为。Choy和她的合作者正在努力准确定位超材料的色彩中心，并定制其属性，使相邻的发射器彼此无法区分，作为一个整体。
“发射器的行为是集体的。这使我们能够控制它们辐射光子的速度 - 比隔离时具有更多的控制，“Choy说。“不再有单独的功能。
通过光子发射原子协同工作，量子传感器可以发送更强大，放大，统一的信号 - 一个响应单个入射光子的信号。
“我们对量子超材料感兴趣，认为这是一种大大增强和控制光物质与量子系统相互作用的方法，”Choy说。“这可以使基于量子态的集体光学响应成为可能，并扩展量子系统之间的相互作用范围。
追求量子应用
Choy对量子传感的兴趣始于她在哈佛大学读研究生时，在那里她获得了应用物理学的硕士和博士学位。她在Marko Loncar的实验室工作，开发基于钻石的光子器件。
“研究生毕业后，我意识到我真的很喜欢动手工作，并希望做更多这样的工作。但我也想更好地了解我所做的研究如何进一步的实际应用，“她说。
因此，她于2013年前往马萨诸塞州剑桥市的非营利组织Draper Lab工作。在那里，她研究了量子传感，以开发精密加速度计，陀螺仪和原子钟。
“原子钟是定义秒的基础，并被GPS星座中的卫星使用，是量子技术完全改变我们生活的一个例子，”她说。“现在我们想探索量子传感器的其他变革性应用，其中一些需要工程解决方案，以便在实验室之外保持最佳性能。
2019年，Choy加入了威斯康星大学麦迪逊分校的教职员工，在那里她继续提高量子传感器的性能，促进量子教育和劳动力发展。
“量子科学与工程是一个可以促进基本理解并为科学和工程学的许多学科创造使能技术的领域。这对于为下一代科学家和工程师提供全面和多学科的培训非常有用，“她说。“支持量子的设备既有近期应用，也有长期前景。既有近期、非常切实的进展，又有有影响力的长期愿景，这令人兴奋。