Teknik kunne forbedre følsomheden af ​​kvantesensorenheder

I kvantesansning bruges kvantesystemer på atomare skala til at måle elektromagnetiske felter samt egenskaber som rotation, acceleration og afstand, langt mere præcist end klassiske sensorer kan. Teknologien kunne for eksempel muliggøre enheder, der afbilder hjernen med hidtil usete detaljer, eller flyvekontrolsystemer med præcis positioneringsnøjagtighed.

Da mange kvantesensorer i den virkelige verden dukker op, er en lovende retning brugen af ​​mikroskopiske defekter inde i diamanter for at skabe "qubits", der kan bruges til kvantesensorer. Qubits er byggestenene i kvanteenheder.

Forskere ved MIT og andre steder har udviklet en teknik, der gør dem i stand til at identificere og kontrollere et større antal af disse mikroskopiske defekter. Dette kunne hjælpe dem med at opbygge et større system af qubits, der kan udføre kvanteregistrering med større følsomhed.

Deres metode bygger på en central defekt inde i en diamant, kendt som et nitrogen-vacancy (NV) center, som videnskabsmænd kan detektere og excitere ved hjælp af laserlys og derefter kontrollere med mikrobølgeimpulser. Denne nye tilgang bruger en specifik protokol for mikrobølgeimpulser til at identificere og udvide denne kontrol til yderligere defekter, der ikke kan ses med en laser, som kaldes mørke spins.

Forskerne søger at kontrollere et større antal mørke spins ved at lokalisere dem gennem et netværk af forbundne spins. Med udgangspunkt i dette centrale NV-spin bygger forskerne denne kæde ved at koble NV-spindet til et nærliggende mørkt spin, og bruger derefter dette mørke spin som en sonde til at finde og kontrollere et fjernere spin, som ikke kan mærkes af NV direkte . Processen kan gentages på disse mere fjerne spins for at kontrollere længere kæder.

"En lektie, jeg lærte af dette arbejde, er, at søgning i mørke kan være ret nedslående, når du ikke ser resultater, men vi var i stand til at tage denne risiko. Det er muligt, med noget mod, at søge på steder, som folk har tilflugtssted for. Jeg har ikke kigget før og finder potentielt mere fordelagtige qubits," siger Alex Ungar.

En ph.d. studerende i elektroteknik og datalogi og medlem af Quantum Engineering Group ved MIT, Ungar er hovedforfatter på et papir om denne teknik, som blev offentliggjort 7. februar i PRX Quantum .

Hans medforfattere omfatter hans rådgiver og tilsvarende forfatter, Paola Cappellaro, Ford-professoren i ingeniørvidenskab ved Institut for Nuklear Science and Engineering og professor i fysik; samt Alexandre Cooper, en seniorforsker ved University of Waterloo's Institute for Quantum Computing; og Won Kyu Calvin Sun, en tidligere forsker i Cappellaros gruppe, som nu er postdoc ved University of Illinois i Urbana-Champaign.

Diamantdefekter

For at skabe NV-centre implanterer forskere nitrogen i en diamantprøve.

Men at indføre nitrogen i diamanten skaber andre typer atomare defekter i det omgivende miljø. Nogle af disse defekter, herunder NV-centret, kan være vært for det, der er kendt som elektroniske spins, som stammer fra valenselektronerne omkring defektstedet. Valenselektroner er dem i den yderste skal af et atom. En defekts interaktion med et eksternt magnetfelt kan bruges til at danne en qubit.

Forskere kan udnytte disse elektroniske spins fra tilstødende defekter for at skabe flere qubits omkring et enkelt NV-center. Denne større samling af qubits er kendt som et kvanteregister. At have et større kvanteregister øger ydeevnen af ​​en kvantesensor.

Nogle af disse elektroniske spindefekter er forbundet med NV-centret gennem magnetisk interaktion. I tidligere arbejde brugte forskere denne interaktion til at identificere og kontrollere nærliggende spins. Denne tilgang er dog begrænset, fordi NV-centret kun er stabilt i kort tid, et princip kaldet kohærens. Den kan kun bruges til at kontrollere de få spins, der kan nås inden for denne sammenhængsgrænse.

I dette nye papir bruger forskerne en elektronisk spindefekt, der er nær NV-centret, som en sonde til at finde og kontrollere et yderligere spin, hvilket skaber en kæde på tre qubits.

De bruger en teknik kendt som spin echo double resonance (SEDOR), som involverer en række mikrobølgeimpulser, der afkobler et NV-center fra alle elektroniske spins, der interagerer med det. Derefter påfører de selektivt endnu en mikrobølgeimpuls for at parre NV-centret med et spin i nærheden.

I modsætning til NV kan disse nærliggende mørke spins ikke exciteres eller polariseres med laserlys. Denne polarisering er et nødvendigt trin for at kontrollere dem med mikrobølger.

Når forskerne har fundet og karakteriseret et førstelagsspin, kan de overføre NV's polarisering til dette førstelagsspin gennem den magnetiske interaktion ved at anvende mikrobølger på begge spins samtidigt. Når først første lags spin er polariseret, gentager de SEDOR-processen på første lags spin, og bruger det som en sonde til at identificere et andet lags spin, der interagerer med det.

Styring af en kæde af mørke spins

Denne gentagne SEDOR-proces gør det muligt for forskerne at detektere og karakterisere en ny, tydelig defekt placeret uden for NV-centrets sammenhængsgrænse. For at kontrollere dette mere fjerne spin anvender de omhyggeligt en specifik serie af mikrobølgeimpulser, der gør dem i stand til at overføre polariseringen fra NV-centret langs kæden til dette andet lags spin.

"Dette sætter scenen for at bygge større kvanteregistre til højere-lags spins eller længere spin-kæder, og viser også, at vi kan finde disse nye defekter, som ikke blev opdaget før ved at opskalere denne teknik," siger Ungar.

For at styre et spin skal mikrobølgeimpulserne være meget tæt på resonansfrekvensen for det spin. Små drifter i forsøgsopstillingen, på grund af temperatur eller vibrationer, kan kaste mikrobølgeimpulserne af sig.

Forskerne var i stand til at optimere deres protokol til at sende præcise mikrobølgeimpulser, hvilket gjorde dem i stand til effektivt at identificere og kontrollere andet lags spins, siger Ungar.

"Vi leder efter noget i det ukendte, men samtidig er miljøet måske ikke stabilt, så du ved ikke, om det, du finder, bare er støj. Når du først begynder at se lovende ting, kan du lægge alle dine bedste indsats i den ene retning Men før du ankommer dertil, er det et trosspring," siger Cappellaro.

Mens de effektivt var i stand til at demonstrere en tre-spin-kæde, vurderer forskerne, at de kunne skalere deres metode til et femte lag ved hjælp af deres nuværende protokol, som kunne give adgang til hundredvis af potentielle qubits. Med yderligere optimering kan de muligvis skalere op til mere end 10 lag.

I fremtiden planlægger de at fortsætte med at forbedre deres teknik til effektivt at karakterisere og undersøge andre elektroniske spins i miljøet og udforske forskellige typer defekter, der kan bruges til at danne qubits.

Flere oplysninger: Alexander Ungar et al., Kontrol af en miljømæssig spindefekt ud over kohærensgrænsen for et centralt spin, PRX Quantum (2024). DOI:10.1103/PRXQuantum.5.010321

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.