Een samenwerkingsproject heeft een doorbraak bereikt in het verbeteren van de snelheid en resolutie van widefield-kwantumdetectie, wat heeft geleid tot nieuwe mogelijkheden in wetenschappelijk onderzoek en praktische toepassingen.

Door samen te werken met wetenschappers uit het vasteland van China en Duitsland heeft het team met succes een kwantumsensortechnologie ontwikkeld met behulp van een neuromorfe zichtsensor, die is ontworpen om het menselijke zichtsysteem na te bootsen. Deze sensor kan veranderingen in fluorescentie-intensiteit coderen in pieken tijdens optisch gedetecteerde magnetische resonantie (ODMR) metingen.

Het belangrijkste voordeel van deze aanpak is dat deze resulteert in sterk gecomprimeerde datavolumes en verminderde latentie, waardoor het systeem efficiënter wordt dan traditionele methoden. Deze doorbraak in kwantumdetectie houdt potentieel in voor verschillende toepassingen op gebieden zoals het monitoren van dynamische processen in biologische systemen.

Het onderzoeksartikel is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Science , getiteld "Widefield diamant-kwantumdetectie met neuromorfe vision-sensoren." Het project werd geleid door professor Zhiqin Chu, professor Can Li en professor Ngai Wong, van de afdeling elektrische en elektronische engineering van de Universiteit van Hong Kong (HKU).

"Onderzoekers over de hele wereld hebben veel moeite gestoken in het zoeken naar manieren om de meetnauwkeurigheid en spatiotemporele resolutie van camerasensoren te verbeteren. Maar er blijft een fundamentele uitdaging bestaan:het omgaan met de enorme hoeveelheid gegevens in de vorm van beeldframes die moeten worden overgedragen van de camerasensoren voor verdere verwerking.

"Deze gegevensoverdracht kan de temporele resolutie aanzienlijk beperken, die doorgaans niet meer dan 100 fps bedraagt ​​vanwege het gebruik van op frames gebaseerde beeldsensoren. Wat we deden was proberen het knelpunt te overwinnen", zegt Zhiyuan Du, de eerste auteur van het artikel. papier en Ph.D. kandidaat bij de afdeling Electrical and Electronic Engineering

Du zei dat de focus van zijn professor op kwantumdetectie hem en andere teamleden had geïnspireerd om nieuwe wegen in dit gebied te betreden. Hij wordt ook gedreven door een passie voor het integreren van detectie en computergebruik.

"De nieuwste ontwikkeling biedt nieuwe inzichten voor breedveld-kwantumdetectie met hoge precisie en lage latentie, met mogelijkheden voor integratie met opkomende geheugenapparaten om intelligentere kwantumsensoren te realiseren", voegde hij eraan toe.

Het experiment van het team met een kant-en-klare gebeurteniscamera toonde een 13x verbetering in de temporele resolutie aan, met een vergelijkbare precisie bij het detecteren van ODMR-resonantiefrequenties met de ultramoderne, zeer gespecialiseerde framegebaseerde aanpak. De nieuwe technologie werd met succes ingezet bij het monitoren van dynamisch gemoduleerde laserverwarming van gouden nanodeeltjes gecoat op een diamantoppervlak. "Het zou moeilijk zijn om dezelfde taak uit te voeren met behulp van de bestaande aanpak," zei Du.

In tegenstelling tot traditionele sensoren die de lichtintensiteitsniveaus registreren, verwerken neuromorfe zichtsensoren de verandering in lichtintensiteit in "pieken", vergelijkbaar met biologische zichtsystemen, wat leidt tot een verbeterde temporele resolutie (≈ µs) en dynamisch bereik (>120 dB). Deze aanpak is vooral effectief in scenario's waarin beeldveranderingen niet vaak voorkomen, zoals het volgen van objecten en autonome voertuigen, omdat overtollige statische achtergrondsignalen worden geëlimineerd.

"We verwachten dat onze succesvolle demonstratie van de voorgestelde methode een revolutie teweeg zal brengen in de grootschalige kwantumdetectie, waardoor de prestaties aanzienlijk zullen verbeteren tegen een betaalbare prijs", aldus professor Zhiqin Chu.

"Dit brengt ook de realisatie van bijna-sensorverwerking dichterbij met opkomende geheugengebaseerde elektronische synapsapparaten", zegt professor Can Li.

"Het potentieel van de technologie voor industrieel gebruik moet verder worden onderzocht, zoals het bestuderen van dynamische veranderingen in stromingen in materialen en het identificeren van defecten in microchips", aldus professor Ngai Wong.

Meer informatie: Zhiyuan Du et al., Widefield Diamond Quantum Sensing met neuromorfe zichtsensoren, Geavanceerde wetenschap (2023). DOI:10.1002/advs.202304355

Journaalinformatie: Geavanceerde wetenschap

Aangeboden door de Universiteit van Hong Kong