Vanligtvis är en defekt i en diamant en dålig sak. Men för ingenjörer banar små blippar i en diamants annars styva kristallstruktur väg för ultrakänsliga kvantsensorer som tänjer på gränserna för dagens teknologier. Nu har forskare vid University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering (PME) utvecklat en metod för att optimera dessa kvantsensorer, som bland annat kan upptäcka små störningar i magnetiska eller elektriska fält.

Deras nya tillvägagångssätt, publicerad i PRX Quantum , drar fördel av hur defekter i diamanter eller halvledare beter sig som qubits – den minsta enheten av kvantinformation.

"Forskare använder redan den här typen av qubit för att göra riktigt fantastiska sensorer", säger Prof. Aashish Clerk, senior författare till det nya verket. "Vad vi har gjort är att komma på ett bättre sätt att få ut så mycket information vi kan ur dessa qubits."

Qubits lyser vägen

En perfekt diamant består av kolatomer arrangerade i ett repetitivt gitter. Ersätt en av dessa atomer med något annat – som en kväveatom – och sättet som den nya, fristående atomen sitter mitt i diamantens hårda struktur ger den unika kvantegenskaper. Små förändringar i omgivningen, från temperatur till elektricitet, förändrar hur dessa "solid state-defekter" snurrar och lagrar energi.

Forskare upptäckte att de kan lysa med ett ljus på en av dessa qubits och sedan mäta hur ljus avböjs och frigörs för att undersöka dess kvanttillstånd. På så sätt kan de använda den som en kvantsensor.

Att analysera informationen från en solid state-defekt är dock knepigt, särskilt när många sådana qubits är inbäddade i en sensor. När varje qubit frigör energi, ändrar den energin beteendet hos närliggande qubits.

"Qubits alla hamnar korrelerade med varandra på ett roligt sätt som inte är vettigt klassiskt," sa Clerk. "Vad en qubit gör är intimt förknippad med vad andra qubits gör."

Dessutom, när ljus lyser på en qubit tillräckligt länge, återställs den till sitt grundtillstånd och förlorar all information som kodats i den.

Förstärkande information

Clerk, tillsammans med kollegor inklusive postdoktor Martin Koppenhöfer, den första författaren till den nya artikeln, ställde sig för att ställa en grundläggande fråga om fysiken kring hur qubits interagerar med varandra. I processen med den här forskningen upptäckte de ett nytt knep för att få information ur solid-state defekt qubits.

När ett nätverk av solid-state-defekter frigör energi i en skur av fotoner, slätar forskare vanligtvis över den exakta naturen hos qubits när denna energi frigörs; de fokuserar istället på data före och efter denna plötsliga skur.

Clerks grupp upptäckte dock att ännu känsligare information om qubitarna är kodad i denna frigöring av energi (som kallas "superradiant spin decay").

"Folk hade antagit att alla qubits börjar upphetsade och att de alla slutar avslappnade, och det verkar riktigt tråkigt," sa han. "Men vi upptäckte att det finns en liten variation mellan qubits; de är inte alla helt exalterade och de slappnar inte av helt synkront."

Genom att fokusera på den där länge ignorerade tidpunkten mitt i det superstrålande spinnavfallet, visade Clerk och hans team hur informationen som lagras i solid-state-defekter förstärks.

Framtiden för kvantavkänning

För ingenjörer som försöker utveckla kvantsensorer som mäter allt från magnetfält – för bättre navigering eller analys av molekylära strukturer – till temperaturförändringar inuti levande celler, erbjuder det nya tillvägagångssättet en välbehövlig förbättring av känsligheten.

"Tidigare har den mycket bullriga slutavläsningen av qubits i dessa sensorer verkligen begränsat allt", sa Clerk. "Nu tar den här mekanismen dig till ett stadium där du inte bryr dig om den där bullriga slutavläsningen; du är fokuserad på de mer värdefulla data som kodats innan den."

Hans team planerar nu framtida forskning om hur man kan förbättra känsligheten för solid-state-defekter ännu mer genom att särskilja data från varje qubit, snarare än att få en avläsning från hela intrasslingen. De tror att deras nya tillvägagångssätt gör det målet mer uppnåeligt än tidigare. + Utforska vidare

2D-array av elektron- och nukleära spin-qubits öppnar en ny gräns inom kvantvetenskapen