Normalmente, um defeito em um diamante é uma coisa ruim. Mas para os engenheiros, pontos minúsculos na estrutura cristalina de um diamante estão abrindo caminho para sensores quânticos ultrassensíveis que ultrapassam os limites das tecnologias atuais. Agora, pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular (PME) da Universidade de Chicago desenvolveram um método para otimizar esses sensores quânticos, que podem detectar pequenas perturbações em campos magnéticos ou elétricos, entre outras coisas.
Sua nova abordagem, publicada em PRX Quantum , aproveita a maneira como os defeitos em diamantes ou semicondutores se comportam como qubits – a menor unidade de informação quântica.

"Os pesquisadores já estão usando esse tipo de qubit para fazer sensores realmente incríveis", disse o professor Aashish Clerk, autor sênior do novo trabalho. “O que fizemos foi encontrar uma maneira melhor de obter o máximo de informações que pudermos desses qubits”.

Qubits iluminam o caminho

Um diamante perfeito é composto de átomos de carbono dispostos em uma rede repetitiva. Substitua um desses átomos por outra coisa – como um átomo de nitrogênio – e a maneira como o novo átomo autônomo fica no meio da estrutura dura do diamante lhe confere propriedades quânticas únicas. Mudanças minúsculas no ambiente, da temperatura à eletricidade, alteram a maneira como esses "defeitos de estado sólido" giram e armazenam energia.

Os pesquisadores descobriram que podem iluminar um desses qubits e depois medir como a luz é desviada e liberada para investigar seu estado quântico. Desta forma, eles podem usá-lo como um sensor quântico.

Analisar as informações de um defeito de estado sólido, no entanto, é complicado, principalmente quando muitos desses qubits estão incorporados em um sensor. À medida que cada qubit libera energia, essa energia altera o comportamento dos qubits próximos.

“Todos os qubits acabam correlacionados uns com os outros de uma maneira engraçada que não faz sentido classicamente”, disse Clerk. "O que um qubit faz está intimamente ligado ao que outros qubits fazem."

Além disso, quando a luz brilha em um qubit por tempo suficiente, ele é redefinido para seu estado fundamental, perdendo qualquer informação codificada nele.

Ampliando informações

Clerk, juntamente com colegas, incluindo o pesquisador de pós-doutorado Martin Koppenhöfer, o primeiro autor do novo artigo, começaram a fazer uma pergunta básica sobre a física de como os qubits interagem uns com os outros. No processo desta pesquisa, eles descobriram um novo truque para obter informações de qubits de defeito de estado sólido.

Quando uma rede de defeitos de estado sólido libera energia em uma explosão de fótons, os pesquisadores geralmente ignoram a natureza exata dos qubits à medida que essa energia está sendo liberada; em vez disso, eles se concentram nos dados antes e depois dessa explosão repentina.

O grupo de Clerk descobriu, no entanto, que informações ainda mais sensíveis sobre os qubits são codificadas nessa liberação de energia (que é chamada de "decaimento de spin superradiante").

“As pessoas presumiram que todos os qubits começam animados e todos acabam relaxados, e parece muito chato”, disse ele. “Mas descobrimos que há essa pequena variação entre os qubits; eles não estão todos completamente animados e nem todos relaxam completamente em sincronia”.

Ao se concentrar nesse ponto de tempo há muito ignorado no meio do decaimento do spin superradiante, Clerk e sua equipe mostraram como as informações armazenadas em defeitos de estado sólido são amplificadas.

O futuro da detecção quântica

Para engenheiros que tentam desenvolver sensores quânticos que medem tudo, desde campos magnéticos – para melhor navegação ou análise de estruturas moleculares – até mudanças de temperatura dentro de células vivas, a nova abordagem oferece uma melhoria muito necessária na sensibilidade.

"No passado, a leitura final muito barulhenta de qubits nesses sensores realmente limitava tudo", disse Clerk. "Agora, esse mecanismo leva você a um estágio em que você não se importa com a leitura final barulhenta; você está focado nos dados mais valiosos codificados antes dele."

Sua equipe agora está planejando pesquisas futuras sobre como melhorar ainda mais a sensibilidade dos defeitos de estado sólido, distinguindo os dados de cada qubit, em vez de obter uma leitura de todo o emaranhado. Eles acham que sua nova abordagem torna esse objetivo mais alcançável do que no passado. + Explorar mais

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