Nel rilevamento quantistico, i sistemi quantistici su scala atomica vengono utilizzati per misurare i campi elettromagnetici, nonché proprietà come rotazione, accelerazione e distanza, in modo molto più preciso di quanto possano fare i sensori classici. La tecnologia potrebbe consentire l'uso di dispositivi in grado di riprodurre immagini del cervello con dettagli senza precedenti, ad esempio, o di sistemi di controllo del traffico aereo con una precisione di posizionamento precisa.
Mentre stanno emergendo molti dispositivi di rilevamento quantistico nel mondo reale, una direzione promettente è l’uso di difetti microscopici all’interno dei diamanti per creare “qubit” che possono essere utilizzati per il rilevamento quantistico. I qubit sono gli elementi costitutivi dei dispositivi quantistici.
I ricercatori del MIT e di altri centri hanno sviluppato una tecnica che consente loro di identificare e controllare un maggior numero di questi difetti microscopici. Ciò potrebbe aiutarli a costruire un sistema più ampio di qubit in grado di eseguire il rilevamento quantistico con maggiore sensibilità.
Il loro metodo si basa su un difetto centrale all'interno di un diamante, noto come centro di azoto vacante (NV), che gli scienziati possono rilevare ed eccitare utilizzando la luce laser e quindi controllare con impulsi a microonde. Questo nuovo approccio utilizza un protocollo specifico di impulsi a microonde per identificare ed estendere tale controllo ad ulteriori difetti che non possono essere visti con un laser, chiamati spin oscuri.
I ricercatori cercano di controllare un numero maggiore di spin oscuri localizzandoli attraverso una rete di spin connessi. Partendo da questo spin NV centrale, i ricercatori costruiscono questa catena accoppiando lo spin NV a uno spin oscuro vicino, e quindi usano questo spin oscuro come sonda per trovare e controllare uno spin più distante che non può essere percepito direttamente dalla NV. . Il processo può essere ripetuto su questi giri più distanti per controllare catene più lunghe.
"Una lezione che ho imparato da questo lavoro è che cercare nel buio può essere abbastanza scoraggiante quando non si vedono risultati, ma siamo stati in grado di correre questo rischio. È possibile, con un po' di coraggio, cercare in luoghi in cui le persone non si vedono." "Non ho mai guardato prima e ho trovato qubit potenzialmente più vantaggiosi", afferma Alex Ungar.
Un dottorato di ricerca Studente di ingegneria elettrica e informatica e membro del Quantum Engineering Group al MIT, Ungar è l'autore principale di un articolo su questa tecnica, pubblicato il 7 febbraio su PRX Quantum .
I suoi coautori includono la sua relatrice e autrice corrispondente, Paola Cappellaro, professoressa di Ingegneria Ford presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria Nucleari e professoressa di fisica; così come Alexandre Cooper, ricercatore senior presso l'Institute for Quantum Computing dell'Università di Waterloo; e Won Kyu Calvin Sun, un ex ricercatore del gruppo di Cappellaro che ora è postdoc presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.
Per creare centri NV, gli scienziati impiantano azoto in un campione di diamante.
Ma l’introduzione di azoto nel diamante crea altri tipi di difetti atomici nell’ambiente circostante. Alcuni di questi difetti, incluso il centro NV, possono ospitare i cosiddetti spin elettronici, che hanno origine dagli elettroni di valenza attorno al sito del difetto. Gli elettroni di valenza sono quelli nel guscio più esterno di un atomo. L'interazione di un difetto con un campo magnetico esterno può essere utilizzata per formare un qubit.
I ricercatori possono sfruttare questi giri elettronici provenienti da difetti vicini per creare più qubit attorno a un singolo centro NV. Questa raccolta più ampia di qubit è nota come registro quantistico. Avere un registro quantistico più grande aumenta le prestazioni di un sensore quantistico.
Alcuni di questi difetti di spin elettronico sono collegati al centro NV attraverso l'interazione magnetica. In lavori precedenti, i ricercatori hanno utilizzato questa interazione per identificare e controllare gli spin vicini. Tuttavia, questo approccio è limitato perché il centro NV è stabile solo per un breve periodo di tempo, un principio chiamato coerenza. Può essere utilizzato solo per controllare i pochi giri che possono essere raggiunti entro questo limite di coerenza.
In questo nuovo articolo, i ricercatori utilizzano un difetto di spin elettronico che si trova vicino al centro NV come sonda per trovare e controllare uno spin aggiuntivo, creando una catena di tre qubit.
Usano una tecnica nota come doppia risonanza spin echo (SEDOR), che prevede una serie di impulsi a microonde che disaccoppiano un centro NV da tutti gli spin elettronici che interagiscono con esso. Quindi, applicano selettivamente un altro impulso a microonde per accoppiare il centro NV con uno spin vicino.
A differenza della NV, questi spin oscuri vicini non possono essere eccitati o polarizzati con la luce laser. Questa polarizzazione è un passaggio obbligatorio per controllarli con le microonde.
Una volta che i ricercatori hanno trovato e caratterizzato uno spin del primo strato, possono trasferire la polarizzazione della NV a questo spin del primo strato attraverso l'interazione magnetica applicando microonde a entrambi gli spin contemporaneamente. Quindi, una volta polarizzato lo spin del primo strato, ripetono il processo SEDOR sullo spin del primo strato, utilizzandolo come sonda per identificare uno spin del secondo strato che interagisce con esso.
Questo processo SEDOR ripetuto consente ai ricercatori di rilevare e caratterizzare un nuovo difetto distinto situato al di fuori del limite di coerenza del centro NV. Per controllare questo spin più distante, applicano con attenzione una serie specifica di impulsi a microonde che consentono loro di trasferire la polarizzazione dal centro NV lungo la catena a questo spin del secondo strato.
"Questo sta ponendo le basi per la costruzione di registri quantistici più grandi per spin di livello superiore o catene di spin più lunghe, e dimostra anche che possiamo trovare questi nuovi difetti che non erano mai stati scoperti prima ampliando questa tecnica", dice Ungar.
Per controllare una rotazione, gli impulsi delle microonde devono essere molto vicini alla frequenza di risonanza di quella rotazione. Piccole derive nell'apparato sperimentale, dovute alla temperatura o alle vibrazioni, possono alterare gli impulsi a microonde.
I ricercatori sono stati in grado di ottimizzare il loro protocollo per l'invio di impulsi a microonde precisi, che hanno consentito loro di identificare e controllare in modo efficace gli spin del secondo strato, afferma Ungar.
"Cerchiamo qualcosa nell'ignoto, ma allo stesso tempo l'ambiente potrebbe non essere stabile, quindi non sai se quello che stai trovando è solo rumore. Una volta che inizi a vedere cose promettenti, puoi mettere tutta la tua energia massimo sforzo in quella direzione, ma prima di arrivare lì, è un atto di fede", afferma Cappellaro.
Sebbene siano stati in grado di dimostrare in modo efficace una catena a tre spin, i ricercatori stimano che potrebbero scalare il loro metodo fino a un quinto livello utilizzando il loro protocollo attuale, che potrebbe fornire l’accesso a centinaia di potenziali qubit. Con un'ulteriore ottimizzazione, potrebbero essere in grado di scalare fino a più di 10 livelli.
In futuro, intendono continuare a migliorare la loro tecnica per caratterizzare e sondare in modo efficiente altri spin elettronici nell'ambiente ed esplorare diversi tipi di difetti che potrebbero essere utilizzati per formare qubit.
Ulteriori informazioni: Alexander Ungar et al, Controllo di un difetto di spin ambientale oltre il limite di coerenza di uno spin centrale, PRX Quantum (2024). DOI:10.1103/PRXQuantum.5.010321
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
