Di solito, un difetto in un diamante è una cosa negativa. Ma per gli ingegneri, minuscoli punti deboli nella struttura cristallina altrimenti rigida di un diamante stanno aprendo la strada a sensori quantistici ultrasensibili che spingono i limiti delle tecnologie odierne. Ora, i ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell'Università di Chicago hanno sviluppato un metodo per ottimizzare questi sensori quantistici, in grado di rilevare minuscole perturbazioni nei campi magnetici o elettrici, tra le altre cose.

Il loro nuovo approccio, pubblicato su PRX Quantum , sfrutta il modo in cui i difetti nei diamanti o nei semiconduttori si comportano come i qubit, la più piccola unità di informazione quantistica.

"I ricercatori stanno già utilizzando questo tipo di qubit per realizzare sensori davvero sorprendenti", ha affermato il Prof. Aashish Clerk, autore senior del nuovo lavoro. "Quello che abbiamo fatto è trovare un modo migliore per ottenere il maggior numero di informazioni possibili da questi qubit."

Qubit illuminano la strada

Un diamante perfetto è composto da atomi di carbonio disposti in un reticolo ripetitivo. Sostituisci uno di questi atomi con qualcos'altro, come un atomo di azoto, e il modo in cui il nuovo atomo autonomo si trova nel mezzo della struttura dura del diamante gli conferisce proprietà quantistiche uniche. Minuscoli cambiamenti nell'ambiente circostante, dalla temperatura all'elettricità, alterano il modo in cui questi "difetti allo stato solido" ruotano e immagazzinano energia.

I ricercatori hanno scoperto che possono illuminare uno di questi qubit e quindi misurare come la luce viene deviata e rilasciata per sondare il suo stato quantistico. In questo modo, possono usarlo come sensore quantistico.

Analizzare le informazioni da un difetto dello stato solido, tuttavia, è complicato, in particolare quando molti di questi qubit sono incorporati in un sensore. Man mano che ogni qubit rilascia energia, quell'energia altera il comportamento dei qubit vicini.

"I qubit finiscono tutti per essere correlati tra loro in un modo divertente che non ha senso classicamente", ha detto Clerk. "Quello che fa un qubit è intimamente connesso con ciò che fanno gli altri qubit."

Inoltre, quando la luce brilla su un qubit abbastanza a lungo, si ripristina al suo stato fondamentale, perdendo tutte le informazioni in esso codificate.

Amplificazione delle informazioni

Clerk, insieme a colleghi tra cui il ricercatore post-dottorato Martin Koppenhöfer, il primo autore del nuovo articolo, ha deciso di porre una domanda di base sulla fisica di come i qubit interagiscono tra loro. Nel processo di questa ricerca, hanno scoperto un nuovo trucco per ottenere informazioni dai qubit di difetti allo stato solido.

Quando una rete di difetti allo stato solido rilascia energia in un'esplosione di fotoni, i ricercatori di solito sorvolano sull'esatta natura dei qubit mentre questa energia viene rilasciata; si concentrano invece sui dati prima e dopo questo scoppio improvviso.

Il gruppo di Clerk ha scoperto, tuttavia, che informazioni ancora più sensibili sui qubit sono codificate in questo rilascio di energia (che è chiamato "decadimento di spin superradiante").

"La gente pensava che tutti i qubit iniziassero eccitati e finissero tutti per rilassarsi, e sembra davvero noioso", ha detto. "Ma abbiamo scoperto che c'è questa leggera variazione tra i qubit; non sono tutti completamente eccitati e non tutti si rilassano completamente in sincronia."

Concentrandosi su quel punto temporale a lungo ignorato nel mezzo del decadimento dello spin superradiante, Clerk e il suo team hanno mostrato come le informazioni memorizzate nei difetti dello stato solido vengono amplificate.

Il futuro del rilevamento quantistico

Per gli ingegneri che cercano di sviluppare sensori quantistici in grado di misurare qualsiasi cosa, dai campi magnetici, per una migliore navigazione o analisi delle strutture molecolari, ai cambiamenti di temperatura all'interno delle cellule viventi, il nuovo approccio offre un tanto necessario miglioramento della sensibilità.

"In passato, la lettura finale molto rumorosa dei qubit in questi sensori ha davvero limitato tutto", ha affermato Clerk. "Ora, questo meccanismo ti porta a uno stadio in cui non ti interessa quella lettura finale rumorosa; sei concentrato sui dati più preziosi codificati prima di esso."

Il suo team sta ora pianificando ricerche future su come migliorare ulteriormente la sensibilità dei difetti allo stato solido distinguendo i dati da ciascun qubit, piuttosto che ottenere una lettura dall'intero entanglement. Pensano che il loro nuovo approccio renda quell'obiettivo più raggiungibile rispetto al passato. + Esplora ulteriormente

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