La búsqueda para crear tecnologías cuánticas útiles comienza con una comprensión profunda de las extrañas leyes que gobiernan el comportamiento cuántico y cómo esos principios se pueden aplicar a materiales reales. En la Universidad de California, Santa Bárbara, la física Anya Zaich, catedrática Bruker de Ciencia e Ingeniería, catedrática Ellings de Ciencia Cuántica y codirectora de NSF Quantum Foundry, dirige un laboratorio cuyo material clave son los diamantes cultivados en laboratorio.
Trabajando en la intersección de la física cuántica y la ciencia de los materiales, Zeich y su equipo estudian cómo las imperfecciones a escala atómica en el diamante, conocidas como qubits de espín, pueden diseñarse para la detección cuántica avanzada. Entre los investigadores destacados del grupo, Lillian Hughes, quien recientemente completó su doctorado. y dirigirse a Caltech para realizar un trabajo posdoctoral, ha logrado un gran avance en este campo.
A través de tres artículos en coautoría, uno en prx en marzo y en dos meses la naturaleza En octubre, Hughes demostró por primera vez que dentro de un diamante se pueden organizar y atrapar no sólo qubits individuales, sino también conjuntos bidimensionales de muchos defectos cuánticos. Este logro marca un hito hacia los sistemas de estado sólido que brindan una ventaja cuántica mensurable en la detección, abriendo un nuevo camino para la próxima generación de dispositivos cuánticos.
Ingeniería de defectos cuánticos en diamantes
“Podemos crear una configuración de espines centrales de nitrógeno vacante (NV) en un diamante con control sobre su densidad y magnitud, de modo que estén densamente empaquetados y confinados en profundidad en una capa 2D”, explicó Hughes. “Y como podemos diseñar cómo se orientan los defectos, podemos diseñarlos para que exhiban interacciones dipolares distintas de cero”. Este logro formó la base de la investigación de PRX, “Un conjunto de espín dipolar, bidimensional y fuertemente interactuante en un diamante orientado (111)”.
Un centro NV consta de un átomo de nitrógeno que reemplaza a un átomo de carbono y una vacante adyacente donde falta un átomo de carbono. “Los defectos de los centros NV tienen varias propiedades, una de las cuales es un grado de libertad llamado espín, un concepto fundamentalmente mecánico cuántico. En el caso de los centros NV, el espín tiene una vida muy larga”, dijo Zaich. “Estos estados de espín de larga duración hacen que los centros NV sean útiles para la detección cuántica. El espín se acopla al campo magnético que estamos tratando de comprender”.
Detección cuántica a partir de resonancia magnética
La idea de utilizar el espín como sensor se remonta al desarrollo de la resonancia magnética (MRI) en la década de 1970. Zeich explicó que la resonancia magnética monitorea la alineación y el estado energético de los protones y detecta las señales emitidas a medida que se relajan, creando una imagen de la estructura interna.
“Todos los experimentos anteriores de detección cuántica realizados en un sistema de estado sólido han utilizado espines individuales o conjuntos de espines que no interactúan”, dice Zeich. “Lo nuevo aquí es que, debido a que Lillian pudo desarrollar y diseñar estos conjuntos de espines densos que interactúan fuertemente, podemos aprovechar el comportamiento colectivo, lo que proporciona una ventaja cuántica adicional, permitiéndonos utilizar fenómenos de entrelazamiento cuántico para obtener una relación señal-ruido mejorada, lo que mejora la medición potencial”.
¿Por qué es importante el diamante para los sensores cuánticos?
El tipo de detección asistida por entrelazamiento demostrada por Hughes se ha demostrado anteriormente, pero sólo en sistemas nucleares en fase gaseosa. “Lo ideal sería que para muchas aplicaciones de destino fuera fácil integrar el sensor y acercarlo al sistema en estudio”, afirma Zeich. “Esto es mucho más fácil de hacer con un material sólido como el diamante que con sensores nucleares en fase gaseosa, en los que se basa, por ejemplo, el GPS. Además, los sensores nucleares requieren un importante hardware auxiliar para su limitación y control, como cámaras de vacío y numerosos láseres, que pueden o deben llevarlo a un medidor de dureza. La proximidad de una proteína, por ejemplo, impide obtener imágenes de alta resolución espacial”.
El equipo de Jayich se centra particularmente en estudiar las propiedades electrónicas de los materiales utilizando sensores cuánticos basados en diamantes. “Se pueden colocar objetivos materiales a escala nanométrica cerca de la superficie de un diamante, acercándolos así a los centros NV del subsuelo”, explica Zeich. “Así que este tipo de sensor cuántico de diamante es muy fácil de integrar con una variedad de sistemas objetivo interesantes. Ésa es una de las principales razones por las que esta plataforma es tan interesante”.
Sondeo de materiales y biología con precisión cuántica
“Un sensor magnético de estado sólido de este tipo podría ser muy útil para investigar, por ejemplo, sistemas biológicos”, afirmó Zeich. “La resonancia magnética nuclear (RMN) se basa en la detección de campos magnéticos muy pequeños provenientes de átomos materiales, por ejemplo, sistemas biológicos. Este tipo de método también es útil si se desea comprender nuevos materiales, materiales electrónicos, materiales superconductores o materiales magnéticos que puedan ser útiles para una variedad de aplicaciones”.
Superar el ruido cuántico
Cada medición tiene límites establecidos por una palabra, lo que limita la precisión. Una forma fundamental de este ruido, llamado ruido de proyección cuántica, establece lo que se conoce como límite cuántico estándar: el punto más allá del cual los sensores no volátiles no pueden mejorar. Si los científicos pueden diseñar interacciones específicas entre sensores, podrán superar este límite. Una forma de hacerlo es mediante la compresión del espín, que correlaciona los estados cuánticos para reducir la incertidumbre.
“Es como si estuvieras tratando de medir algo con una regla métrica que tiene gradaciones a intervalos de un centímetro; esas gradaciones en el espacio de un centímetro son efectivamente la amplitud del ruido en tu medición. No usarías una regla métrica de este tipo para medir el tamaño de una ameba, que es mucho más pequeña que un centímetro”, dijo Zeich. “Al reducir (silenciar el ruido) se utilizan de manera efectiva interacciones mecánicas cuánticas para ‘aplastar’ esa regla, creando efectivamente gradaciones sutiles y permitiéndole medir cosas pequeñas con mayor precisión”.
Amplificando señales cuánticas
Segundo en el equipo la naturaleza El artículo detalla otra técnica para mejorar las mediciones: la amplificación de señales. Este método fortalece la señal sin aumentar el ruido. En la analogía del metro, amplificar la señal hace que la ameba parezca más grande, de modo que marcas de medición aún más gruesas puedan capturarla con precisión.
De cara al futuro, Zeich confía en poder aplicar estos principios a los sistemas del mundo real. “No creo que los desafíos técnicos previstos nos impidan demostrar una ventaja cuántica en un experimento de detección útil en un futuro próximo”, afirmó. “Se trata principalmente de fortalecer la amplificación de la señal o aumentar la cantidad de compresión. Una forma de hacerlo es controlar la posición de los espines en el plano 2Dxy, creando una matriz regular”.
“Existe un desafío material en el sentido de que, como no podemos fijar dónde convergen los espines, están incluidos en un plano de una manera un tanto aleatoria”, añadió Jaich. “Eso es algo en lo que estamos trabajando ahora, para que eventualmente podamos obtener una red de estos espines, cada uno colocado a cierta distancia entre sí. Esto abordará un desafío excepcional en la realización de ventajas cuánticas prácticas en la detección”.
