La técnica podría mejorar la sensibilidad de los dispositivos de detección cuántica

En la detección cuántica, los sistemas cuánticos a escala atómica se utilizan para medir campos electromagnéticos, así como propiedades como la rotación, la velocidad y la distancia, con mayor precisión que los sensores clásicos. La tecnología podría permitir dispositivos que obtengan 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 del diamante 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 grandes cantidades de estas plagas microscópicas. Esto podría ayudarles a crear un sistema más grande de qubits que pueda realizar sensores cuánticos con mayor sensibilidad.

Su método crea un defecto central dentro del diamante, conocido como centro de nitrógeno vacante (NV), que los científicos pueden detectar y excitar usando luz láser y luego controlar con pulsos de microondas. Este nuevo método utiliza un protocolo específico de pulsos y controles de microondas para detectar y mejorar más defectos que no se pueden ver con el láser, llamado giro oscuro.

Los investigadores quieren controlar una gran cantidad de conexiones buscando a través de una red de espines conectados. A partir de este giro NV central, los investigadores construyen una cadena que conecta los giros NV con los giros oscuros cercanos, y luego usan este giro oscuro como sonda para detectar y controlar los giros más distantes que dirige el NV. . Este proceso se puede repetir en estos giros adicionales para controlar cadenas más largas.

«Una de las lecciones que aprendí de este trabajo es que puede ser muy emocionante buscar en la oscuridad cuando no se pueden ver los resultados, pero pudimos correr el riesgo de que es posible, con algo de coraje, encontrar estos lugares.» Para saber dónde están seguras las personas. No busques más y encuentra qubits potencialmente más rentables», afirma Alex Unger.

Un doctorado. Ungar, estudiante de ingeniería eléctrica e informática y miembro del Grupo de Ingeniería Cuántica del MIT, es el autor principal de un artículo sobre la técnica, que se publicó el 7 de febrero. PRX cuántico.

Sus colegas incluyen a su asesora y autora correspondiente, Paula Cappellaro, Profesora Ford de Ingeniería en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear y Profesora de Física; También Alexander Cooper, científico investigador senior del Instituto de Computación Cuántica de la Universidad de Waterloo; y Won Kyu Calvin Sun, ex investigador del grupo de Cappellaro que ahora es postdoctorado en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Defectos de diamante

Para crear un centro NV, los científicos inyectan nitrógeno en una muestra de diamante.

Pero añadir nitrógeno a los diamantes crea otros tipos de defectos nucleares en el entorno. Algunos de estos defectos, incluidos los centros NV, pueden albergar lo que se conoce como espines electrónicos, que se originan en los electrones de valencia que rodean el sitio del defecto. Los electrones de valencia son los que se encuentran en la capa más externa de un átomo. La interacción del defecto con un campo magnético externo se puede utilizar para crear un qubit.

Los investigadores pueden utilizar estos espines electrónicos de defectos vecinos para crear más qubits alrededor de un único centro NV. Esta gran colección de qubits se conoce como registro cuántico. Tener un registro cuántico más grande aumenta la eficiencia del sensor cuántico.

Algunos de estos defectos de espín de los electrones 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 método tiene limitaciones porque el centro NV sólo es estable durante un corto tiempo, un principio llamado coherencia. Sólo se puede utilizar para controlar algunos giros que pueden alcanzar dentro de este rango de coordenadas.

En este nuevo artículo, los investigadores utilizan un trastorno de espín electrónico cerca del centro NV para detectar 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 alinear el centro NV con un giro más cercano.

A diferencia de NV, estos vecinos no pueden ser excitados ni polarizados por la luz láser de espín oscuro. Esta polarización es un paso necesario para controlar las 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 aplicando microondas a ambos espines mediante interacción magnética. 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 el espín de la segunda capa que interactúa con él.

Controlando una cadena de giros oscuros

Este proceso SEDOR repetido permite a los investigadores detectar y caracterizar un defecto nuevo y aislado ubicado fuera del rango de coordenadas del centro NV. Para controlar este espín más distante, aplican cuidadosamente una secuencia específica de pulsos de microondas que les permite transferir la polarización desde el centro NV a lo largo de la cadena hasta este espín de la segunda capa.

«Esto sienta las bases para la construcción de registros a gran escala con tramos de capas altas o cadenas de tramos largos, y también muestra que podemos encontrar nuevos defectos que no se descubrieron antes de escalar esta técnica», dice Unger.

Para controlar un giro, el pulso de microondas debe estar muy cerca de la frecuencia de resonancia de ese giro. Pequeñas corrientes en la configuración experimental, causadas por el calor o la vibración, pueden alterar los pulsos de microondas.

Los investigadores pudieron ajustar su protocolo para enviar pulsos de microondas precisos, lo que les permitió detectar y controlar eficientemente el giro de la segunda capa, dice Unger.

«Estamos buscando lo desconocido, pero al mismo tiempo, el entorno puede no ser estable, por lo que no sabes si lo que estás buscando es sólo ruido. Una vez que empiezas a mirar las cosas prometedoras, «Tengo todas tus cosas». Puedo juntarlas. El mejor esfuerzo es en esa dirección. Pero antes de llegar allí, es un acto de fe», dice Capellaro.

Si bien pudieron demostrar de manera efectiva una cadena de tres espines, los investigadores estiman que podrían escalar su método hasta una quinta capa usando su protocolo actual, lo que podría brindar acceso a cientos de qubits potenciales. Con una mayor optimización, pueden escalar a más de 10 capas.

En el futuro, planean continuar desarrollando su técnica para detectar y sondear eficientemente otros espines de electrones en el medio ambiente y encontrar una variedad de defectos que puedan usarse para crear qubits.

Esta historia es cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.