En la detección cuántica, los sistemas cuánticos a escala atómica se utilizan para medir campos electromagnéticos, así como propiedades como la rotación, la aceleración y la distancia, con mucha más precisión que los sensores clásicos. La tecnología podría habilitar dispositivos que tomen imágenes del cerebro con un detalle sin precedentes, por ejemplo, o sistemas de control de tráfico aéreo con precisión de posicionamiento precisa.
A medida que están surgiendo muchos dispositivos de detección cuántica del mundo real, una dirección prometedora es el uso de defectos microscópicos dentro de los diamantes para crear "qubits" que puedan usarse para la detección cuántica. Los qubits son los componentes básicos de los dispositivos cuánticos.
Investigadores del MIT y de otros lugares han desarrollado una técnica que les permite identificar y controlar un mayor número de estos defectos microscópicos. Esto podría ayudarles a construir un sistema más grande de qubits que pueda realizar detección cuántica con mayor sensibilidad.
Su método se basa en un defecto central dentro de un diamante, conocido como centro de nitrógeno vacante (NV), que los científicos pueden detectar y excitar utilizando luz láser y luego controlar con pulsos de microondas. Este nuevo enfoque utiliza un protocolo específico de pulsos de microondas para identificar y extender ese control a defectos adicionales que no se pueden ver con un láser, que se denominan giros oscuros.
Los investigadores buscan controlar un mayor número de espines oscuros ubicándolos a través de una red de espines conectados. A partir de este giro NV central, los investigadores construyen esta cadena acoplando el giro NV a un giro oscuro cercano, y luego usan este giro oscuro como sonda para encontrar y controlar un giro más distante que el NV no puede detectar directamente. . El proceso se puede repetir en estos giros más distantes para controlar cadenas más largas.
"Una lección que aprendí de este trabajo es que buscar en la oscuridad puede ser bastante desalentador cuando no se ven resultados, pero pudimos correr este riesgo. Es posible, con algo de coraje, buscar en lugares donde la gente ha "No hemos buscado antes y hemos encontrado qubits potencialmente más ventajosos", afirma Alex Ungar.
Un doctorado. Estudiante de ingeniería eléctrica e informática y miembro del Grupo de Ingeniería Cuántica del MIT, Ungar es el autor principal de un artículo sobre esta técnica, que se publicó el 7 de febrero en PRX Quantum. .
Sus coautores incluyen a su asesora y autora correspondiente, Paola Cappellaro, profesora Ford de Ingeniería en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear y profesora de física; así como Alexandre Cooper, científico investigador senior del Instituto de Computación Cuántica de la Universidad de Waterloo; y Won Kyu Calvin Sun, un ex investigador del grupo de Cappellaro que ahora es postdoctorado en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Para crear centros NV, los científicos implantan nitrógeno en una muestra de diamante.
Pero la introducción de nitrógeno en el diamante crea otros tipos de defectos atómicos en el entorno circundante. Algunos de estos defectos, incluido el centro NV, pueden albergar lo que se conoce como espines electrónicos, que se originan en los electrones de valencia alrededor del sitio del defecto. Los electrones de valencia son los que se encuentran en la capa más externa de un átomo. La interacción de un defecto con un campo magnético externo se puede utilizar para formar un qubit.
Los investigadores pueden aprovechar estos espines electrónicos de defectos vecinos para crear más qubits alrededor de un único centro NV. Esta colección más grande de qubits se conoce como registro cuántico. Tener un registro cuántico más grande aumenta el rendimiento de un sensor cuántico.
Algunos de estos defectos de espín electrónicos están conectados al centro NV mediante interacción magnética. En trabajos anteriores, los investigadores utilizaron esta interacción para identificar y controlar espines cercanos. Sin embargo, este enfoque es limitado porque el centro NV sólo es estable durante un corto período de tiempo, un principio llamado coherencia. Solo se puede utilizar para controlar los pocos giros que se pueden alcanzar dentro de este límite de coherencia.
En este nuevo artículo, los investigadores utilizan un defecto de espín electrónico que se encuentra cerca del centro NV como sonda para encontrar y controlar un espín adicional, creando una cadena de tres qubits.
Utilizan una técnica conocida como doble resonancia de eco de espín (SEDOR), que implica una serie de pulsos de microondas que desacoplan un centro NV de todos los espines electrónicos que interactúan con él. Luego, aplican selectivamente otro pulso de microondas para emparejar el centro NV con un giro cercano.
A diferencia del NV, estos espines oscuros vecinos no pueden excitarse ni polarizarse con luz láser. Esta polarización es un paso necesario para controlarlos con microondas.
Una vez que los investigadores encuentran y caracterizan un espín de primera capa, pueden transferir la polarización del NV a este espín de primera capa a través de la interacción magnética aplicando microondas a ambos espines simultáneamente. Luego, una vez polarizado el espín de la primera capa, repiten el proceso SEDOR en el espín de la primera capa, usándolo como sonda para identificar un espín de la segunda capa que interactúa con él.
Este proceso SEDOR repetido permite a los investigadores detectar y caracterizar un defecto nuevo y distinto ubicado fuera del límite de coherencia del centro NV. Para controlar este espín más distante, aplican cuidadosamente una serie específica de pulsos de microondas que les permiten transferir la polarización desde el centro NV a lo largo de la cadena hasta este espín de la segunda capa.
"Esto está sentando las bases para construir registros cuánticos más grandes para espines de capas superiores o cadenas de espín más largas, y también demuestra que podemos encontrar estos nuevos defectos que no se habían descubierto antes ampliando esta técnica", afirma Ungar.
Para controlar un giro, los pulsos de microondas deben estar muy cerca de la frecuencia de resonancia de ese giro. Pequeñas variaciones en la configuración experimental, debido a la temperatura o las vibraciones, pueden alterar los pulsos de microondas.
Los investigadores pudieron optimizar su protocolo para enviar pulsos de microondas precisos, lo que les permitió identificar y controlar eficazmente los espines de la segunda capa, afirma Ungar.
"Estamos buscando algo en lo desconocido, pero al mismo tiempo, el entorno puede no ser estable, por lo que no sabes si lo que estás encontrando es sólo ruido. Una vez que empiezas a ver cosas prometedoras, puedes poner todas tus fuerzas en mejor esfuerzo en esa dirección, pero antes de llegar allí, es un acto de fe", dice Cappellaro.
Si bien pudieron demostrar eficazmente una cadena de tres espines, los investigadores estiman que podrían escalar su método a una quinta capa utilizando su protocolo actual, lo que podría proporcionar acceso a cientos de qubits potenciales. Con una mayor optimización, es posible que puedan escalar hasta más de 10 capas.
En el futuro, planean seguir mejorando su técnica para caracterizar y probar de manera eficiente otros espines electrónicos en el medio ambiente y explorar diferentes tipos de defectos que podrían usarse para formar qubits.
Más información: Alexander Ungar et al, Control de un defecto de giro ambiental más allá del límite de coherencia de un giro central, PRX Quantum (2024). DOI:10.1103/PRXQuantum.5.010321
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.
