Bygger bedre kvantesensorer

Normalt er en defekt i en diamant en dårlig ting. Men for ingeniører baner små blips i en diamants ellers stive krystalstruktur vejen for ultrafølsomme kvantesensorer, der skubber grænserne for nutidens teknologier. Nu har forskere ved University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering (PME) udviklet en metode til at optimere disse kvantesensorer, som blandt andet kan detektere bittesmå forstyrrelser i magnetiske eller elektriske felter.

Deres nye tilgang, offentliggjort i PRX Quantum , drager fordel af den måde, som defekter i diamanter eller halvledere opfører sig som qubits - den mindste enhed af kvanteinformation.

"Forskere bruger allerede denne form for qubit til at lave virkelig fantastiske sensorer," sagde prof. Aashish Clerk, seniorforfatter af det nye værk. "Det, vi har gjort, er at finde på en bedre måde at få så meget information vi kan ud af disse qubits."

Qubits lyser vejen

En perfekt diamant er sammensat af kulstofatomer arrangeret i et gentagne gitter. Erstat et af disse atomer med noget andet - som et nitrogenatom - og måden, hvorpå det nye, selvstændige atom sidder midt i diamantens hårde struktur, giver den unikke kvanteegenskaber. Miniskule ændringer i omgivelserne, fra temperatur til elektricitet, ændrer den måde, hvorpå denne "faststofdefekt" roterer og lagrer energi.

Forskere opdagede, at de kan skinne et lys på en af ​​disse qubits og derefter måle, hvordan lys afbøjes og frigives for at undersøge dets kvantetilstand. På denne måde kan de bruge den som en kvantesensor.

Det er imidlertid vanskeligt at analysere informationen fra en solid-state-defekt, især når mange sådanne qubits er indlejret i en sensor. Når hver qubit frigiver energi, ændrer denne energi adfærden af ​​nærliggende qubits.

"Qubits ender alle sammen med hinanden på en sjov måde, der ikke giver mening klassisk," sagde Clerk. "Hvad en qubit gør, er tæt forbundet med, hvad andre qubits gør."

Desuden, når lys skinner på en qubit længe nok, nulstilles den til sin grundtilstand og mister enhver information, der var kodet i den.

Forstærkende information

Clerk, sammen med kolleger, herunder postdoc-stipendiat Martin Koppenhöfer, den første forfatter til det nye papir, satte sig for at stille et grundlæggende spørgsmål om fysikken om, hvordan qubits interagerer med hinanden. I processen med denne forskning opdagede de et nyt trick til at få information ud af solid-state defekt-qubits.

Når et netværk af faststofdefekter frigiver energi i et udbrud af fotoner, forsvinder forskerne normalt den nøjagtige natur af qubits, når denne energi frigives; de fokuserer i stedet på dataene før og efter dette pludselige udbrud.

Clerks gruppe opdagede dog, at endnu mere følsom information om qubits er kodet i denne frigivelse af energi (som kaldes "superstrålende spin henfald").

"Folk havde antaget, at alle qubits starter spændte, og at de alle ender afslappet, og det virker virkelig kedeligt," sagde han. "Men vi fandt ud af, at der er en lille variation mellem qubits; de er ikke alle helt begejstrede, og de slapper ikke alle af helt synkront."

Ved at fokusere på det længe ignorerede tidspunkt midt i superstrålende spin-henfald viste Clerk og hans team, hvordan informationen, der er lagret i solid-state-defekter, forstærkes.

Fremtiden for kvanteregistrering

For ingeniører, der forsøger at udvikle kvantesensorer, der måler alt fra magnetiske felter – for bedre navigation eller analyse af molekylære strukturer – til temperaturændringer inde i levende celler, tilbyder den nye tilgang en tiltrængt forbedring af følsomheden.

"Tidligere har den meget støjende endelige udlæsning af qubits i disse sensorer virkelig begrænset alt," sagde Clerk. "Nu bringer denne mekanisme dig til et stadie, hvor du er ligeglad med den støjende slutaflæsning; du er fokuseret på de mere værdifulde data kodet før den."

Hans team planlægger nu fremtidig forskning i, hvordan man kan forbedre følsomheden af ​​solid-state-defekter endnu mere ved at skelne dataene fra hver qubit, i stedet for at få én udlæsning fra hele sammenfiltringen. De tror, ​​at deres nye tilgang gør det mål mere opnåeligt end tidligere. + Udforsk yderligere

2D-array af elektron- og nukleare spin-qubits åbner ny grænse inden for kvantevidenskab