(A) Обзор широкопольного квантового зондирования на основе NV: диаграмма энергетических уровней и атомная структура NV-центров; и экспериментальная установка широкопольного квантового алмазного микроскопа. 
(B) Схема, показывающая принцип работы широкопольного квантового зондирования на основе кадров, при котором серия кадров выводится из датчика на основе кадров, записывающего как интенсивность флуоресценции, так и фоновые сигналы. 
(C) Схема, показывающая принцип работы предлагаемого нейроморфного широкопольного квантового восприятия, при котором изменения флуоресценции преобразуются в редкие всплески с помощью нейроморфного зрительного датчика. 
Кредит: Передовая наука (2023). DOI: 10.1002/advs.202304355

Совместный проект совершил прорыв в повышении скорости и разрешения широкопольного квантового зондирования, что открыло новые возможности в научных исследованиях и практических приложениях.

Сотрудничая с учеными из материкового Китая и Германии, команда успешно разработала технологию квантового зондирования с использованием нейроморфного датчика зрения, который имитирует систему человеческого зрения. Этот датчик способен кодировать изменения интенсивности флуоресценции в пики во время измерений с помощью оптического магнитного резонанса (ODMR).

Ключевым преимуществом этого подхода является то, что он приводит к сильному сжатию объемов данных и уменьшению задержек, что делает систему более эффективной, чем традиционные методы. Этот прорыв в области квантового зондирования имеет потенциал для различных приложений в таких областях, как мониторинг динамических процессов в биологических системах.

Исследовательская статья была опубликована в журнале Advanced Science под названием «Широкоугольное квантовое зондирование алмаза с помощью нейроморфных зрительных датчиков». Проект возглавляли профессор Чжицинь Чу, профессор Кан Ли и профессор Нгай Вонг на факультете электротехники и электроники Гонконгского университета (HKU).

«Исследователи во всем мире потратили много усилий на поиск способов повышения точности измерений и пространственно-временного разрешения датчиков камер. Но остается фундаментальная задача: обработка огромного количества данных в виде кадров изображений, которые необходимо передать с датчиков камеры для дальнейшей обработки.

«Эта передача данных может существенно ограничить временное разрешение, которое обычно не превышает 100 кадров в секунду из-за использования датчиков изображения на основе кадра. Мы пытались преодолеть узкое место», — сказал Чжиюань Ду, первый автор статья и докторская степень, кандидат кафедры электротехники и электроники

Ду сказал, что внимание его профессора к квантовому распознаванию вдохновило его и других членов команды открыть новые горизонты в этой области. Его также движет страсть к интеграции датчиков и вычислений.

Экспериментальная демонстрация. Протокол измерений, наборы необработанных данных и полученный спектр ODMR (центральной точки рентабельности инвестиций) с использованием датчиков A, C, E на основе кадров и датчиков B, D, F на основе событий соответственно. Вставка в F показывает необработанные кадры событий (путем накопления событий в диапазоне 1 мс) в трех разных частотных точках. Спектры в E и F аппроксимируются лоренцианом и его производными функциями соответственно, из которых извлекается резонансная частота f0 (f0* — усредненный результат прямой и обратной развертки; ошибка представляет собой стандартное отклонение от 10 повторных измерений). 
Кредит: Передовая наука (2023). DOI: 10.1002/advs.202304355

«Последняя разработка дает новые возможности для высокоточного широкопольного квантового зондирования с малой задержкой, а также возможности интеграции с новыми устройствами памяти для реализации более интеллектуальных квантовых датчиков», — добавил он.

Эксперимент команды со стандартной камерой событий продемонстрировал 13-кратное улучшение временного разрешения при сопоставимой точности обнаружения резонансных частот ODMR с помощью современного узкоспециализированного подхода на основе кадров. Новая технология была успешно применена для мониторинга динамически модулированного лазерного нагрева наночастиц золота, нанесенных на поверхность алмаза. «Было бы сложно выполнить ту же задачу, используя существующие подходы», — сказал Ду.

В отличие от традиционных датчиков, которые регистрируют уровни интенсивности света, нейроморфные датчики зрения преобразуют изменение интенсивности света в «пики», подобно системам биологического зрения, что приводит к улучшению временного разрешения (≈мкс) и динамического диапазона (>120 дБ). Этот подход особенно эффективен в сценариях, где изменения изображения происходят нечасто, например, при отслеживании объектов и автономных транспортных средствах, поскольку он устраняет избыточные статические фоновые сигналы.

«Мы ожидаем, что наша успешная демонстрация предлагаемого метода произведет революцию в широкопольном квантовом зондировании, значительно улучшив производительность при доступной цене», — сказал профессор Чжицинь Чу.

«Это также приближает реализацию околосенсорной обработки с помощью новых электронных синаптических устройств на основе памяти», — сказал профессор Кан Ли.

«Потенциал этой технологии для промышленного использования следует изучить дальше, например, для изучения динамических изменений токов в материалах и выявления дефектов в микрочипах», — сказал профессор Нгай Вонг.