A busca pela criação de tecnologias quânticas úteis começa com uma compreensão profunda das estranhas leis que governam o comportamento quântico e como esses princípios podem ser aplicados a materiais reais. Na Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, a física Anya Zaich, Cátedra Bruker Endowed em Ciência e Engenharia, Cátedra Ellings em Ciência Quântica e codiretora da NSF Quantum Foundry, lidera um laboratório onde o material principal são diamantes cultivados em laboratório.
Trabalhando na interseção da física quântica e da ciência dos materiais, Zeich e sua equipe estudam como imperfeições 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 indo para Caltech para trabalho de pós-doutorado, fez um grande avanço neste campo.
Através de três artigos em coautoria – um em prx em março e em dois meses a natureza Em outubro – Hughes mostrou pela primeira vez que não apenas qubits individuais, mas conjuntos bidimensionais de muitos defeitos quânticos podem ser organizados e presos dentro de um diamante. Esta conquista marca um marco em direção aos sistemas de estado sólido que fornecem 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) no diamante com controle sobre sua densidade e magnitude, de modo que 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 da pesquisa PRX, “Um conjunto de spin dipolar, bidimensional e fortemente interativo em diamante orientado a (111).”
Um centro NV consiste em um átomo de nitrogênio substituindo um átomo de carbono e uma vaga adjacente onde um átomo de carbono está ausente. “Os defeitos do centro NV têm várias propriedades, uma das quais é um grau de liberdade chamado spin – um conceito fundamentalmente de mecânica quântica. No caso dos centros NV, o spin tem vida muito longa”, disse Zaich. “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 entender.”
Detecção quântica por ressonância magnética
A ideia de usar o spin como sensor remonta ao desenvolvimento da ressonância magnética (MRI) na década de 1970. Zeich explicou que a ressonância magnética monitora o alinhamento e o estado energético dos prótons e detecta os sinais emitidos à medida que eles relaxam, criando uma imagem da estrutura interna.
“Experiências anteriores de detecção quântica conduzidas em um sistema de estado sólido usaram spins únicos ou conjuntos de spins não interativos”, diz Zeich. “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 tirar vantagem do comportamento coletivo, que fornece uma vantagem quântica adicional, permitindo-nos usar fenômenos de emaranhamento quântico para obter uma relação sinal-ruído melhorada, o que torna a medição de potencial melhor.”
Por que o diamante é importante para sensores quânticos?
O tipo de detecção assistida por emaranhamento demonstrado por Hughes foi demonstrado anteriormente, mas apenas em sistemas nucleares em fase gasosa. “Idealmente, para muitas aplicações alvo, deveria ser fácil integrar seu sensor e aproximá-lo do sistema em estudo”, diz Zeich. “Isso é muito mais fácil de fazer com um material de estado sólido como o diamante do que com sensores nucleares em fase gasosa, nos quais, por exemplo, o GPS se baseia. Além disso, os sensores nucleares requerem hardware auxiliar significativo para limitar e controlar, como câmaras de vácuo e numerosos lasers, que podem ou devem colocá-lo em um medidor rígido. A proximidade de uma proteína, por exemplo, proíbe imagens de alta resolução espacial. “
A equipe de Jayich está particularmente focada no estudo das propriedades eletrônicas de materiais usando sensores quânticos baseados em diamante. “Você pode colocar alvos materiais em escala nanométrica próximos à superfície de um diamante, aproximando-os assim dos centros NV do subsolo”, explica Zeich. “Portanto, este tipo de sensor quântico de diamante é muito fácil de integrar 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
“Esse sensor magnético de estado sólido poderia ser muito útil para sondar, por exemplo, sistemas biológicos”, disse Zeich. “A ressonância magnética nuclear (RMN) baseia-se na detecção de campos magnéticos muito pequenos provenientes de átomos de materiais, por exemplo, sistemas biológicos. Este tipo de método também é útil se você deseja compreender novos materiais, materiais eletrônicos, materiais supercondutores ou materiais magnéticos que podem ser úteis para uma variedade de aplicações.”
Superando o ruído quântico
Cada medição possui limites definidos por uma palavra, o que limita 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 voláteis não podem melhorar. Se os cientistas conseguirem projetar interações específicas entre sensores, eles poderão superar 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 que tem gradações em intervalos de um centímetro; essas gradações centimétricas 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 Zeich. “Ao diminuir – silenciar o ruído – você efetivamente usa interações da mecânica quântica para ‘esmagar’ a régua do medidor, criando efetivamente gradações sutis e permitindo medir pequenas coisas com mais precisão.”
Amplificando sinais quânticos
Segundo na equipe a natureza O artigo detalha outra técnica para melhorar as medições: amplificação de sinal. Este método 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 marcas de medição ainda mais espessas possam capturá-la com precisão.
Olhando para o futuro, Zeich está confiante na aplicação destes princípios a sistemas do mundo real. “Não creio que os desafios técnicos previstos nos impeçam de demonstrar uma vantagem quântica numa experiência de detecção útil num futuro próximo”, disse ele. “Trata-se principalmente de fortalecer a amplificação do sinal ou aumentar a quantidade de compressão. Uma maneira de fazer isso é controlar a posição dos spins no plano 2Dxy, criando uma matriz regular.”
“Há um desafio material, porque não podemos fixar para onde convergem os spins, eles são incluídos num plano de uma forma um tanto aleatória”, acrescentou Jaich. “Isso é algo em que estamos trabalhando agora, para que eventualmente possamos obter uma grade desses spins, cada um colocado a uma certa distância um do outro. Isso resolverá um desafio notável na obtenção de vantagens quânticas práticas na detecção.”
