Na detecção quântica, sistemas quânticos em escala atômica são usados ​​para medir campos eletromagnéticos, bem como propriedades como rotação, aceleração e distância, com muito mais precisão do que os sensores clássicos. A tecnologia poderia permitir dispositivos que produzam imagens do cérebro com detalhes sem precedentes, por exemplo, ou sistemas de controle de tráfego aéreo com precisão de posicionamento.



À medida que muitos dispositivos de detecção quântica do mundo real estão surgindo, uma direção promissora é o uso de defeitos microscópicos dentro dos diamantes para criar “qubits” que podem ser usados ​​para detecção quântica. Qubits são os blocos de construção dos dispositivos quânticos.

Pesquisadores do MIT e de outros lugares desenvolveram uma técnica que lhes permite identificar e controlar um maior número desses defeitos microscópicos. Isso poderia ajudá-los a construir um sistema maior de qubits que possa realizar detecção quântica com maior sensibilidade.

Seu método baseia-se em um defeito central dentro de um diamante, conhecido como centro de vacância de nitrogênio (NV), que os cientistas podem detectar e excitar usando luz laser e depois controlar com pulsos de micro-ondas. Esta nova abordagem utiliza um protocolo específico de pulsos de micro-ondas para identificar e estender esse controle a defeitos adicionais que não podem ser vistos com um laser, chamados de dark spins.

Os pesquisadores procuram controlar um número maior de spins escuros, localizando-os através de uma rede de spins conectados. A partir deste spin central do NV, os pesquisadores constroem esta cadeia acoplando o spin do NV a um spin escuro próximo e, em seguida, usam esse spin escuro como uma sonda para encontrar e controlar um spin mais distante que não pode ser detectado diretamente pelo NV. . O processo pode ser repetido nessas rotações mais distantes para controlar cadeias mais longas.

“Uma lição que aprendi com este trabalho é que pesquisar no escuro pode ser bastante desanimador quando não se vê resultados, mas conseguimos correr esse risco. É possível, com alguma coragem, pesquisar em locais que as pessoas não conhecem. nunca olhei antes e encontraremos qubits potencialmente mais vantajosos", diz Alex Ungar.

Um Ph.D. estudante de engenharia elétrica e ciência da computação e membro do Quantum Engineering Group do MIT, Ungar é o autor principal de um artigo sobre essa técnica, publicado em 7 de fevereiro na PRX Quantum. .

Seus coautores incluem sua orientadora e autora correspondente, Paola Cappellaro, Professora Ford de Engenharia no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear e professora de física; bem como Alexandre Cooper, pesquisador sênior do Instituto de Computação Quântica da Universidade de Waterloo; e Won Kyu Calvin Sun, ex-pesquisador do grupo de Cappellaro que agora faz pós-doutorado na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.

Defeitos de diamante

Para criar centros NV, os cientistas implantam nitrogênio em uma amostra de diamante.

Mas a introdução de nitrogênio no diamante cria outros tipos de defeitos atômicos no ambiente circundante. Alguns desses defeitos, incluindo o centro NV, podem hospedar o que é conhecido como spins eletrônicos, que se originam dos elétrons de valência ao redor do local do defeito. Os elétrons de valência são aqueles na camada mais externa de um átomo. A interação de um defeito com um campo magnético externo pode ser usada para formar um qubit.

Os pesquisadores podem aproveitar esses spins eletrônicos de defeitos vizinhos para criar mais qubits em torno de um único centro NV. Essa coleção maior de qubits é conhecida como registro quântico. Ter um registro quântico maior aumenta o desempenho de um sensor quântico.

Alguns desses defeitos de spin eletrônico estão conectados ao centro NV através de interação magnética. Em trabalhos anteriores, os pesquisadores usaram essa interação para identificar e controlar giros próximos. No entanto, esta abordagem é limitada porque o centro NV só é estável por um curto período de tempo, um princípio denominado coerência. Só pode ser usado para controlar os poucos giros que podem ser alcançados dentro deste limite de coerência.

Neste novo artigo, os pesquisadores usam um defeito de spin eletrônico próximo ao centro NV como uma sonda para encontrar e controlar um spin adicional, criando uma cadeia de três qubits.

Eles usam uma técnica conhecida como ressonância dupla spin echo (SEDOR), que envolve uma série de pulsos de micro-ondas que desacoplam um centro NV de todos os spins eletrônicos que estão interagindo com ele. Em seguida, eles aplicam seletivamente outro pulso de micro-ondas para emparelhar o centro NV com um spin próximo.

Ao contrário do NV, estes spins escuros vizinhos não podem ser excitados ou polarizados com luz laser. Esta polarização é uma etapa necessária para controlá-los com microondas.

Assim que os pesquisadores encontrarem e caracterizarem um spin da primeira camada, eles poderão transferir a polarização do NV para esse spin da primeira camada por meio da interação magnética, aplicando microondas a ambos os spins simultaneamente. Então, uma vez polarizado o spin da primeira camada, eles repetem o processo SEDOR no spin da primeira camada, usando-o como uma sonda para identificar um spin da segunda camada que está interagindo com ele.

Controlando uma cadeia de giros escuros

Este processo SEDOR repetido permite aos pesquisadores detectar e caracterizar um defeito novo e distinto localizado fora do limite de coerência do centro NV. Para controlar esse spin mais distante, eles aplicam cuidadosamente uma série específica de pulsos de micro-ondas que lhes permitem transferir a polarização do centro NV ao longo da cadeia para esse spin da segunda camada.

“Isso está preparando o terreno para a construção de registros quânticos maiores para spins de camadas superiores ou cadeias de spin mais longas, e também mostrando que podemos encontrar esses novos defeitos que não foram descobertos antes, ampliando esta técnica”, diz Ungar.

Para controlar um spin, os pulsos de micro-ondas devem estar muito próximos da frequência de ressonância desse spin. Pequenos desvios na configuração experimental, devido à temperatura ou vibrações, podem desencadear os pulsos de microondas.

Os pesquisadores conseguiram otimizar seu protocolo para enviar pulsos de micro-ondas precisos, o que lhes permitiu identificar e controlar com eficácia os spins da segunda camada, diz Ungar.

“Estamos procurando algo no desconhecido, mas ao mesmo tempo o ambiente pode não ser estável, então você não sabe se o que está encontrando é apenas ruído. melhor esforço nessa direção, mas antes de chegar lá, é um ato de fé", diz Cappellaro.

Embora tenham conseguido demonstrar efetivamente uma cadeia de três spins, os pesquisadores estimam que poderiam escalar seu método para uma quinta camada usando seu protocolo atual, que poderia fornecer acesso a centenas de qubits potenciais. Com otimização adicional, eles poderão escalar até mais de 10 camadas.

No futuro, eles planejam continuar aprimorando sua técnica para caracterizar e investigar com eficiência outros spins eletrônicos no ambiente e explorar diferentes tipos de defeitos que poderiam ser usados ​​para formar qubits.

Mais informações: Alexander Ungar et al, Controle de um defeito de rotação ambiental além do limite de coerência de uma rotação central, PRX Quantum (2024). DOI:10.1103/PRXQuantum.5.010321
Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.