Por lo general, un defecto en un diamante es algo malo. Pero para los ingenieros, los minúsculos puntos en la estructura cristalina rígida de un diamante allanan el camino para los sensores cuánticos ultrasensibles que superan los límites de las tecnologías actuales. Ahora, investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago han desarrollado un método para optimizar estos sensores cuánticos, que pueden detectar pequeñas perturbaciones en campos magnéticos o eléctricos, entre otras cosas.

Su nuevo enfoque, publicado en PRX Quantum , aprovecha la forma en que los defectos en diamantes o semiconductores se comportan como qubits, la unidad más pequeña de información cuántica.

"Los investigadores ya están utilizando este tipo de qubit para fabricar sensores realmente sorprendentes", dijo el profesor Aashish Clerk, autor principal del nuevo trabajo. "Lo que hemos hecho es encontrar una mejor manera de obtener la mayor cantidad de información posible de estos cúbits".

Qubits iluminan el camino

Un diamante perfecto está compuesto de átomos de carbono dispuestos en una red repetitiva. Reemplace uno de estos átomos con algo más, como un átomo de nitrógeno, y la forma en que el nuevo átomo independiente se asienta en medio de la estructura dura del diamante le otorga propiedades cuánticas únicas. Minúsculos cambios en el entorno, desde la temperatura hasta la electricidad, alteran la forma en que estos "defectos de estado sólido" giran y almacenan energía.

Los investigadores descubrieron que pueden hacer brillar una luz en uno de estos qubits y luego medir cómo se desvía y libera la luz para probar su estado cuántico. De esta manera, pueden usarlo como un sensor cuántico.

Sin embargo, analizar la información de un defecto de estado sólido es complicado, particularmente cuando muchos de estos qubits están integrados en un sensor. A medida que cada qubit libera energía, esa energía altera el comportamiento de los qubits cercanos.

"Todos los qubits terminan correlacionados entre sí de una manera divertida que no tiene sentido clásicamente", dijo Clerk. "Lo que hace un qubit está íntimamente relacionado con lo que hacen otros qubits".

Además, cuando la luz incide sobre un cúbit durante el tiempo suficiente, se restablece a su estado fundamental y pierde toda la información codificada en él.

Información ampliada

Clerk, junto con colegas, incluido el investigador postdoctoral Martin Koppenhöfer, el primer autor del nuevo artículo, se propusieron hacer una pregunta básica sobre la física de cómo los qubits interactúan entre sí. En el proceso de esta investigación, descubrieron un nuevo truco para obtener información de los qubits defectuosos de estado sólido.

Cuando una red de defectos de estado sólido libera energía en un estallido de fotones, los investigadores suelen pasar por alto la naturaleza exacta de los qubits a medida que se libera esta energía; en cambio, se enfocan en los datos antes y después de este estallido repentino.

El grupo de Clerk descubrió, sin embargo, que en esta liberación de energía (que se denomina "decaimiento de espín superradiante") se codifica información aún más sensible sobre los cúbits.

"La gente había asumido que todos los qubits comienzan emocionados y todos terminan relajados, y parece realmente aburrido", dijo. "Pero descubrimos que existe esta ligera variación entre los qubits; no todos están completamente emocionados y no todos se relajan completamente en sincronía".

Al centrarse en ese punto de tiempo ignorado durante mucho tiempo en medio del decaimiento del espín superradiante, Clerk y su equipo demostraron cómo se amplifica la información almacenada en los defectos de estado sólido.

El futuro de la detección cuántica

Para los ingenieros que intentan desarrollar sensores cuánticos que midan todo, desde campos magnéticos (para una mejor navegación o análisis de estructuras moleculares) hasta cambios de temperatura dentro de las células vivas, el nuevo enfoque ofrece una mejora muy necesaria en la sensibilidad.

"En el pasado, la lectura final muy ruidosa de qubits en estos sensores realmente limitaba todo", dijo Clerk. "Ahora, este mecanismo lo lleva a una etapa en la que no le importa esa lectura final ruidosa; está enfocado en los datos más valiosos codificados antes".

Su equipo ahora está planeando investigaciones futuras sobre cómo mejorar aún más la sensibilidad de los defectos de estado sólido al distinguir los datos de cada qubit, en lugar de obtener una lectura de todo el enredo. Piensan que su nuevo enfoque hace que ese objetivo sea más alcanzable que en el pasado. + Explora más

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