Os giros emaranhados dão aos diamantes uma vantagem quântica

Trabalhando na interseção da física quântica e da ciência dos materiais, Jayich e sua equipe estudam como imperfeições precisas em escala atômica no diamante – conhecidas como qubits de spin – podem ser projetadas para detecção quântica avançada. Entre os pesquisadores de destaque do grupo, Lillian Hughes, que concluiu recentemente seu doutorado. e está indo para o Caltech para fazer pós-doutorado, fez um grande avanço nessa área.

Através de três artigos em coautoria – um em PRX em março e dois em Natureza em outubro – Hughes demonstrou pela primeira vez que não apenas qubits individuais, mas conjuntos bidimensionais de muitos defeitos quânticos podem ser organizados e emaranhados dentro do diamante. Esta conquista marca um marco em direção aos sistemas de estado sólido que oferecem uma vantagem quântica mensurável na detecção, abrindo um novo caminho para a próxima geração de dispositivos quânticos.

Engenharia de defeitos quânticos em diamante

“Podemos criar uma configuração de spins centrais de vacância de nitrogênio (NV) nos diamantes com controle sobre sua densidade e dimensionalidade, de modo que eles sejam densamente compactados e confinados em profundidade em uma camada 2D”, explicou Hughes. “E como podemos projetar como os defeitos são orientados, podemos projetá-los para exibir interações dipolares diferentes de zero.” Essa conquista formou a base do estudo PRX, “Um conjunto de spin dipolar bidimensional e de forte interação em diamante orientado (111).”

Um centro NV consiste em um átomo de nitrogênio substituindo um átomo de carbono e uma vaga adjacente onde falta um átomo de carbono. “O defeito do centro NV tem algumas propriedades, uma das quais é um grau de liberdade chamado spin – um conceito fundamentalmente de mecânica quântica. No caso do centro NV, o spin tem vida muito longa”, disse Jayich. “Esses estados de spin de longa duração tornam os centros NV úteis para a detecção quântica. O spin se acopla ao campo magnético que estamos tentando detectar.”

Da ressonância magnética à detecção quântica

O conceito de usar o spin como sensor remonta ao desenvolvimento da ressonância magnética (MRI) na década de 1970. Jayich explicou que a ressonância magnética funciona controlando o alinhamento e os estados de energia dos prótons e detectando os sinais que eles emitem à medida que relaxam, formando uma imagem das estruturas internas.

“Experimentos anteriores de detecção quântica conduzidos em um sistema de estado sólido fizeram uso de spins únicos ou conjuntos de spins não interativos”, disse Jayich. “O que há de novo aqui é que, como Lillian foi capaz de desenvolver e projetar esses conjuntos de spin densos que interagem fortemente, podemos realmente aproveitar o comportamento coletivo, o que fornece uma vantagem quântica extra, permitindo-nos usar os fenômenos de emaranhamento quântico para obter relações sinal-ruído melhoradas, proporcionando maior sensibilidade e tornando possível uma melhor medição.”

Por que o diamante é importante para sensores quânticos

O tipo de detecção assistida por emaranhamento demonstrado por Hughes já foi mostrado antes, mas apenas em sistemas atômicos em fase gasosa. “Idealmente, para muitas aplicações alvo, seu sensor deve ser fácil de integrar e aproximar do sistema em estudo”, disse Jayich. “É muito mais fácil fazer isso com um material de estado sólido, como o diamante, do que com sensores atômicos de fase gasosa nos quais, por exemplo, o GPS se baseia. Além disso, os sensores atômicos requerem hardware auxiliar significativo para confinar e controlar, como como câmaras de vácuo e numerosos lasers, tornando difícil aproximar um sensor atômico de uma proteína em escala nanométrica, por exemplo, proibindo imagens de alta resolução espacial. “

A equipe de Jayich está especialmente focada no uso de sensores quânticos baseados em diamante para estudar propriedades eletrônicas de materiais. “Você pode colocar alvos materiais na proximidade em escala nanométrica de uma superfície de diamante, aproximando-os realmente dos centros NV sub-superficiais”, explicou Jayich. “Portanto, é muito fácil integrar este tipo de sensor quântico de diamante com uma variedade de sistemas de alvos interessantes. Essa é uma grande razão pela qual esta plataforma é tão interessante.”

Sondagem de materiais e biologia com precisão quântica

“Um sensor magnético de estado sólido deste tipo poderia ser muito útil para sondar, por exemplo, sistemas biológicos”, disse Jayich. “A ressonância magnética nuclear (RMN) baseia-se na detecção de campos magnéticos muito pequenos provenientes dos átomos constituintes, por exemplo, de sistemas biológicos. Tal abordagem também é útil se você deseja compreender novos materiais, sejam materiais eletrônicos, materiais supercondutores, ou materiais magnéticos que podem ser úteis para uma variedade de aplicações. “

Superando o Ruído Quântico

Cada medição tem um limite definido pelo ruído, o que restringe a precisão. Uma forma fundamental deste ruído, chamada ruído de projeção quântica, define o que é conhecido como limite quântico padrão – o ponto além do qual os sensores não emaranhados não podem melhorar. Se os cientistas conseguirem projetar interações específicas entre sensores, eles poderão ultrapassar esse limite. Uma maneira de fazer isso é através da compressão de spin, que correlaciona estados quânticos para reduzir a incerteza.

“É como se você estivesse tentando medir algo com uma régua métrica com gradações de um centímetro de distância; essas gradações espaçadas em centímetros são efetivamente a amplitude do ruído em sua medição. Você não usaria essa régua para medir o tamanho de uma ameba, que é muito menor que um centímetro “, disse Jayich. “Ao comprimir – silenciar o ruído – você efetivamente usa interações da mecânica quântica para ‘esmagar’ a régua, criando efetivamente gradações mais finas e permitindo medir coisas menores com mais precisão.”

Amplificando Sinais Quânticos

O segundo da equipe Natureza o artigo detalha outra estratégia para melhorar a medição: amplificação de sinal. Esta abordagem fortalece o sinal sem aumentar o ruído. Na analogia da régua métrica, amplificar o sinal faz com que a ameba pareça maior, de modo que mesmo marcações de medição grosseiras possam capturá-la com precisão.

Olhando para o futuro, Jayich está confiante na aplicação desses princípios em sistemas do mundo real. “Não creio que os desafios técnicos previstos impeçam a demonstração de uma vantagem quântica numa experiência de detecção útil num futuro próximo”, disse ela. “Trata-se principalmente de tornar a amplificação do sinal mais forte ou aumentar a quantidade de compressão. Uma maneira de fazer isso é controlar a posição dos spins no plano 2Dxy, formando uma matriz regular.”

“Há um desafio de materiais aqui, porque não podemos ditar exatamente onde os spins serão incorporados, eles se incorporam de forma um tanto aleatória dentro de um plano”, acrescentou Jayich. “Isso é algo em que estamos trabalhando agora, para que eventualmente possamos ter uma grade desses spins, cada um colocado a uma distância específica um do outro. Isso representaria um desafio notável para a obtenção de vantagens quânticas práticas na detecção.”