A busca pela criação de tecnologias quânticas úteis começa com uma compreensão profunda das estranhas leis que governam o comportamento quântico e como aplicar esses princípios a materiais reais. Na UC Santa Bárbara, a física Ania Jayich, Professora Brooke de Ciência e Engenharia, Professora Cátedra Elings de Ciência Quântica e codiretora da NSF Quantum Foundry, lidera um laboratório cujo material principal é o diamante cultivado em laboratório.
Jayich e sua equipe trabalham na intersecção da física quântica e da ciência dos materiais, investigando como projetar defeitos precisos em escala atômica no diamante, chamados de qubits de spin, para permitir a detecção quântica avançada. Entre os ilustres pesquisadores do grupo está Lillian Hughes, que concluiu recentemente seu doutorado. Ele está indo para o Instituto de Tecnologia da Califórnia para fazer pós-doutorado e fez grandes avanços nessa área.
Através de três artigos em coautoria – um preço Março e fevereiro natureza Outubro – Hughes demonstra pela primeira vez que não apenas qubits únicos, mas também muitas coleções bidimensionais de defeitos quânticos podem ser organizadas e emaranhadas dentro do diamante. Esta conquista representa um marco para os sistemas de estado sólido que fornecem vantagens quânticas mensuráveis na detecção, abrindo novos caminhos para dispositivos quânticos de próxima geração.
Engenharia quântica de defeitos em diamantes
“Podemos criar configurações de spins centrais de vacância de nitrogênio (NV) no diamante e controlar sua densidade e dimensões para que fiquem densamente compactados e profundamente confinados em camadas bidimensionais”, explica Hughes. “E porque podemos projetar a orientação dos defeitos, podemos projetá-los para exibir interações dipolares diferentes de zero.” Esta conquista constitui a base do estudo da PRX de “conjuntos de spin dipolo bidimensionais e fortemente interagentes em diamante orientado (111).”
O centro NV consiste em um átomo de nitrogênio substituindo um átomo de carbono e uma vaga adjacente sem um átomo de carbono. “Os defeitos do centro NV têm algumas propriedades, uma das quais é um grau de liberdade chamado spin, que é um conceito fundamental da mecânica quântica. No caso dos centros NV, o spin tem vida muito longa”, disse Jayich. “Esses estados de spin de longa duração tornam os centros NV muito úteis para a detecção quântica. O spin está acoplado ao campo magnético que estamos tentando detectar.”
Da ressonância magnética à detecção quântica
O conceito de usar spins como sensores remonta ao desenvolvimento da ressonância magnética (MRI) na década de 1970. Jayich explicou que a ressonância magnética funciona controlando o arranjo e o estado energético dos prótons e detectando os sinais que eles emitem quando relaxam, formando uma imagem da estrutura interna.
“Experimentos anteriores de detecção quântica em sistemas de estado sólido exploraram spins únicos ou conjuntos de spins não interativos”, disse Jaich. “A novidade aqui é que, como Lillian é capaz de desenvolver e projetar esses conjuntos de spin densos que interagem muito fortemente, podemos realmente explorar o comportamento coletivo, o que fornece uma vantagem quântica adicional, permitindo-nos explorar o fenômeno do emaranhamento quântico para melhorar a relação sinal-ruído, fornecer maior sensibilidade e permitir melhores medições.”
Por que os diamantes são importantes para sensores quânticos
O tipo de detecção assistida por emaranhamento demonstrado por Hughes já foi demonstrado antes, mas apenas em sistemas atômicos em fase gasosa. “Idealmente, para muitas aplicações alvo, seu sensor deve ser fácil de integrar e próximo do sistema que está sendo estudado”, disse Jayich. “Isso é mais fácil de fazer usando materiais de estado sólido, como o diamante, do que usando sensores atômicos em fase gasosa, como GPS. Além disso, os sensores atômicos requerem extenso hardware auxiliar para confinamento e controle, como câmaras de vácuo e um grande número de lasers, o que torna difícil para os sensores atômicos acessarem proteínas na faixa da nanoescala, dificultando imagens de alta resolução. “
A equipe de Jayich está particularmente focada no uso de sensores quânticos baseados em diamante para estudar as propriedades eletrônicas dos materiais. “Você pode colocar alvos materiais em nanoescala perto da superfície do diamante, aproximando-os realmente dos centros NV subterrâneos”, 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.”
Sondando materiais e biologia com precisão quântica
“Este tipo de sensor magnético de estado sólido é muito útil para sondar coisas como sistemas biológicos”, disse Jaich. “A ressonância magnética nuclear (NMR) baseia-se na detecção de campos magnéticos muito pequenos dos átomos constituintes de coisas como sistemas biológicos. Este método também é útil se você deseja compreender novos materiais, sejam eles materiais eletrônicos, materiais supercondutores ou materiais magnéticos que podem ser usados em uma variedade de aplicações. “
Superando o ruído quântico
Cada medição tem um limite definido pelo ruído, o que limita a precisão. Uma forma básica deste ruído, chamada ruído de projeção quântica, estabelece o chamado limite quântico padrão – um limite além do qual os sensores não emaranhados não podem ser melhorados. Se os cientistas conseguirem projetar interações específicas entre sensores, eles poderão ir além dessa fronteira. Uma maneira de conseguir 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 espaçada de um centímetro; o gradiente nesses intervalos de centímetros é na verdade a magnitude do ruído na medição. Você não usaria essa régua para medir o tamanho de uma ameba, que é muito menor que um centímetro”, disse Jaich. “Ao apertar – eliminando o ruído – você pode usar efetivamente interações da mecânica quântica para ‘achatar’ a régua do medidor, criando efetivamente gradientes mais finos que permitem medir coisas menores com mais precisão.”
Amplifique sinais quânticos
Segundo lugar da equipe natureza O artigo detalha outra estratégia para melhorar as medições: amplificação de sinal. Este método melhora o sinal sem adicionar ruído. Usando a analogia do medidor, amplificar o sinal faria a ameba parecer maior, permitindo que até mesmo marcadores de medição grosseiros a capturassem com precisão.
No futuro, Jayich está confiante em aplicar esses princípios a sistemas do mundo real. “Não creio que os desafios técnicos previstos impeçam a demonstração de vantagens quânticas em experiências úteis de detecção num futuro próximo”, disse ela. “Isso é principalmente para tornar a amplificação do sinal mais forte ou para aumentar a quantidade de compressão. Uma abordagem é controlar a posição dos spins no plano 2Dxy para formar matrizes regulares.”
“Existem desafios materiais aqui porque não podemos decidir exatamente onde os spins vão se combinar, eles vão se combinar de uma forma um tanto aleatória dentro do plano”, acrescentou Jaic. “Isso é algo em que estamos trabalhando agora para que eventualmente possamos ter uma grade desses spins, cada um mantendo uma distância específica um do outro. Isso resolveria o grande desafio de alcançar uma vantagem quântica real no campo da detecção.”
