Создание лучших квантовых датчиков
Обычно дефект бриллианта – это плохо. Но для инженеров крошечные всплески в жесткой кристаллической структуре алмаза прокладывают путь к сверхчувствительным квантовым датчикам, которые раздвигают границы современных технологий. Теперь исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (PME) разработали метод оптимизации этих квантовых датчиков, которые, среди прочего, могут обнаруживать крошечные возмущения в магнитных или электрических полях. Их новый подход, опубликованный в PRX Quantum, использует то, как дефекты в алмазах или полупроводниках ведут себя как кубиты — наименьшие единицы квантовой информации.
Мода изображена здесь как резонансная мода фотонного резонатора, но мы могли бы использовать самые разные системы (например, микроволновые или механические моды). Скорость затухания энергии бозонной моды равна κ, и каждый спин может подвергаться процессам локальной релаксации или расфазировки со скоростями γ отн или γϕ соответственно. Предоставлено : PRX Quantum (2022). DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.030330
«Исследователи уже используют этот тип кубитов для создания действительно удивительных датчиков», — сказал профессор Аашиш Клерк, старший автор новой работы. «Что мы сделали, так это придумали лучший способ получить как можно больше информации из этих кубитов».
Кубиты освещают путь
Идеальный алмаз состоит из атомов углерода, расположенных в повторяющейся решетке. Замените один из этих атомов чем-то другим — например, атомом азота — и то, как новый, автономный атом расположен посреди твердой структуры алмаза, придает ему уникальные квантовые свойства. Минимальные изменения в окружающей среде, от температуры до электричества, меняют то, как эти «твердотельные дефекты» вращаются и накапливают энергию.
Исследователи обнаружили, что они могут направить свет на один из этих кубитов, а затем измерить, как свет отклоняется и высвобождается, чтобы исследовать его квантовое состояние . Таким образом, они могут использовать его в качестве квантового датчика.
Однако анализ информации о твердотельном дефекте сложен, особенно когда в один датчик встроено много таких кубитов. Когда каждый кубит высвобождает энергию, эта энергия изменяет поведение соседних кубитов.
«Все кубиты в конечном итоге коррелируют друг с другом забавным образом, который не имеет классического смысла», — сказал Клерк. «То, что делает один кубит, тесно связано с тем, что делают другие кубиты».
Более того, когда свет падает на кубит достаточно долго, он сбрасывается в основное состояние, теряя всю закодированную в нем информацию.
Усиление информации
Клерк вместе с коллегами, в том числе научным сотрудником с докторской степенью Мартином Коппенхёфером, первым автором новой статьи, решили задать основной вопрос о физике взаимодействия кубитов друг с другом. В процессе этого исследования они обнаружили новый способ получения информации из твердотельных дефектных кубитов.
Когда сеть твердотельных дефектов высвобождает энергию во вспышке фотонов, исследователи обычно умалчивают о точной природе кубитов, когда эта энергия высвобождается; вместо этого они сосредотачиваются на данных до и после этого внезапного всплеска.
Однако группа Клерка обнаружила, что еще более важная информация о кубитах закодирована в этом высвобождении энергии (которое называется «сверхизлучающим спиновым распадом»).
«Люди предполагали, что все кубиты сначала возбуждены, а в конце концов расслабляются, и это кажется очень скучным», — сказал он. «Но мы обнаружили небольшую разницу между кубитами: не все они полностью возбуждены и не все полностью синхронно расслабляются».
Сосредоточившись на этом давно игнорируемом моменте времени в разгар сверхизлучательного распада спина, Клерк и его команда показали, как усиливается информация, хранящаяся в твердотельных дефектах.
Будущее квантового зондирования
Для инженеров, пытающихся разработать квантовые датчики, которые измеряют все, от магнитных полей — для лучшей навигации или анализа молекулярных структур — до изменений температуры внутри живых клеток, новый подход предлагает столь необходимое улучшение чувствительности.
«В прошлом очень шумное окончательное считывание кубитов в этих датчиках действительно все ограничивало», — сказал Клерк. «Теперь этот механизм приводит вас к этапу, когда вас не волнует этот шумный окончательный вывод; вы сосредоточены на более ценных данных, закодированных до него».
Сейчас его команда планирует дальнейшие исследования того, как еще больше повысить чувствительность твердотельных дефектов, различая данные от каждого кубита, а не получая одно считывание от всей запутанности. Они считают, что их новый подход делает эту цель более достижимой, чем в прошлом.
