Sensor quântico de diamante de campo amplo com sensores de visão neuromórfica
(A) Visão geral da detecção quântica de campo amplo baseada em NV:diagrama de nível de energia e estrutura atômica dos centros NV; e o aparato experimental do microscópio quântico de diamante de campo amplo. (B) Um esquema que mostra o princípio de funcionamento da detecção quântica de campo amplo baseada em quadros, onde uma série de quadros é emitida por um sensor baseado em quadros que grava a intensidade de fluorescência e os sinais de fundo. (C) Um esquema que mostra o princípio de funcionamento da detecção quântica de campo amplo neuromórfica proposta, onde as alterações de fluorescência são convertidas em picos esparsos através de um sensor de visão neuromórfica. Crédito:Ciência Avançada (2023). DOI:10.1002/advs.202304355 Um projeto colaborativo fez um avanço no aumento da velocidade e da resolução da detecção quântica de campo amplo, levando a novas oportunidades em pesquisa científica e aplicações práticas.
Ao colaborar com cientistas da China Continental e da Alemanha, a equipa desenvolveu com sucesso uma tecnologia de detecção quântica utilizando um sensor de visão neuromórfica, concebido para imitar o sistema de visão humano. Este sensor é capaz de codificar alterações na intensidade de fluorescência em picos durante medições de ressonância magnética detectada opticamente (ODMR).
A principal vantagem desta abordagem é que ela resulta em volumes de dados altamente compactados e latência reduzida, tornando o sistema mais eficiente do que os métodos tradicionais. Este avanço na detecção quântica tem potencial para diversas aplicações em campos como o monitoramento de processos dinâmicos em sistemas biológicos.
O artigo de pesquisa foi publicado na revista Advanced Science , intitulado "Sensor quântico de diamante de campo amplo com sensores de visão neuromórfica." O projeto foi liderado pelo Professor Zhiqin Chu, Professor Can Li e Professor Ngai Wong, do Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Universidade de Hong Kong (HKU)
"Pesquisadores em todo o mundo têm se esforçado muito para encontrar maneiras de melhorar a precisão da medição e a resolução espaço-temporal dos sensores das câmeras. Mas permanece um desafio fundamental:lidar com a enorme quantidade de dados na forma de quadros de imagem que precisam ser transferidos dos sensores da câmera para processamento adicional.
"Essa transferência de dados pode limitar significativamente a resolução temporal, que normalmente não passa de 100 fps devido ao uso de sensores de imagem baseados em quadros. O que fizemos foi tentar superar o gargalo", disse Zhiyuan Du, o primeiro autor do o. artigo e doutorado. candidato no Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica
Du disse que o foco de seu professor na detecção quântica inspirou ele e outros membros da equipe a abrir novos caminhos na área. Ele também é movido por uma paixão pela integração de detecção e computação. Demonstração experimental. O protocolo de medição, conjuntos de dados brutos e espectro ODMR obtido (do ponto central do ROI) usando A, C, E baseado em quadro e sensor B, D, F baseado em evento, respectivamente. A inserção em F mostra event frames brutos (acumulando eventos de intervalo de 1 ms) em três pontos de frequência diferentes. Os espectros em E e F são ajustados com o Lorentziano e suas funções derivadas, respectivamente, das quais a frequência de ressonância f0 é extraída (f0* é o resultado médio da varredura para frente e para trás; o erro representa o desvio padrão de 10 medições repetidas). Crédito:Ciência Avançada (2023). DOI:10.1002/advs.202304355 “O desenvolvimento mais recente fornece novos insights para detecção quântica de campo amplo de alta precisão e baixa latência, com possibilidades de integração com dispositivos de memória emergentes para criar sensores quânticos mais inteligentes”, acrescentou.
O experimento da equipe com uma câmera de eventos pronta para uso demonstrou uma melhoria de 13x na resolução temporal, com precisão comparável na detecção de frequências de ressonância ODMR com a abordagem baseada em quadros altamente especializada de última geração. A nova tecnologia foi implantada com sucesso no monitoramento do aquecimento a laser modulado dinamicamente de nanopartículas de ouro revestidas em uma superfície de diamante. “Seria difícil realizar a mesma tarefa usando as abordagens existentes”, disse Du.
Ao contrário dos sensores tradicionais que registram os níveis de intensidade da luz, os sensores de visão neuromórfica processam a mudança de intensidade da luz em "picos" semelhantes aos sistemas de visão biológica, levando a uma melhor resolução temporal (≈µs) e faixa dinâmica (>120 dB). Esta abordagem é particularmente eficaz em cenários onde as alterações de imagem são pouco frequentes, como rastreamento de objetos e veículos autônomos, pois elimina sinais de fundo estáticos redundantes.
"Prevemos que a nossa demonstração bem-sucedida do método proposto revolucionará a detecção quântica de campo amplo, melhorando significativamente o desempenho a um custo acessível", disse o professor Zhiqin Chu.
"Isso também aproxima a realização do processamento próximo ao sensor com dispositivos emergentes de sinapse eletrônica baseados em memória", disse o professor Can Li.
“O potencial da tecnologia para uso industrial deve ser mais explorado, como o estudo de mudanças dinâmicas nas correntes dos materiais e a identificação de defeitos em microchips”, disse o professor Ngai Wong.
Mais informações: Zhiyuan Du et al, Widefield Diamond Quantum Sensing with Neuromorphic Vision Sensors, Advanced Science (2023). DOI:10.1002/advs.202304355 Informações do diário: Ciência Avançada
