Камертон звенит на одной ноте, но рядом с ним всегда слышны тихие обертоны — кратные частоты, которые примешиваются к основному звуку. Примерно так же вели себя квантовые датчики частоты: они откликались не только на нужный сигнал, но и на его гармоники — как если бы микрофон ловил не только голос певца, но и эхо от стен.
Физики из Университета науки и технологий Китая взяли одиночный электрон внутри алмаза — так называемый NV-центр (азотная вакансия, крошечный дефект кристаллической решётки). Этот электрон, как волчок, вращается в магнитном поле, и частота его вращения зависит от внешнего сигнала. Измеряя эту частоту, можно узнать частоту сигнала. Но раньше электрон откликался и на удвоенную, и на утроенную частоту — из-за этого измерения сбивались.
Учёные применили метод геодезического управления: они так подобрали последовательность радиоимпульсов, что электрон стал откликаться только на одну, нужную частоту — как если бы камертон перестал звенеть на обертонах. В результате датчик измеряет частоту без систематических ошибок в диапазоне от мегагерц до гигагерц — это как слышать и низкий гул, и высокий писк одним и тем же ухом.
Теперь такой датчик можно использовать в реальных условиях — там, где много посторонних сигналов и помех. Например, в медицинской диагностике или в навигации без GPS. А всё потому, что электрон в алмазе научился не путать основной тон с эхом.
Азотная вакансия в алмазе — это место, где атом углерода заменён атомом азота, а соседний узел решётки пуст. Такой дефект светится красным, если его осветить зелёным лазером, и его свечение зависит от магнитного поля.
В романе Грега Игана «Карантин» квантовые датчики на основе одиночных спинов используются для сверхточных измерений, от которых зависит судьба человечества.