Inom kvantavkänning används kvantsystem i atomskala för att mäta elektromagnetiska fält, såväl som egenskaper som rotation, acceleration och avstånd, mycket mer exakt än vad klassiska sensorer kan. Tekniken skulle kunna möjliggöra enheter som avbildar hjärnan med oöverträffade detaljer, till exempel, eller flygledningssystem med exakt positioneringsnoggrannhet.
Eftersom många kvantavkänningsenheter i verkligheten växer fram, är en lovande riktning användningen av mikroskopiska defekter inuti diamanter för att skapa "qubits" som kan användas för kvantavkänning. Qubits är byggstenarna i kvantenheter.
Forskare vid MIT och på andra håll har utvecklat en teknik som gör det möjligt för dem att identifiera och kontrollera ett större antal av dessa mikroskopiska defekter. Detta kan hjälpa dem att bygga ett större system av qubits som kan utföra kvantavkänning med större känslighet.
Deras metod bygger på en central defekt inuti en diamant, känd som ett kvävevakanscenter (NV), som forskare kan upptäcka och excitera med hjälp av laserljus och sedan styra med mikrovågspulser. Detta nya tillvägagångssätt använder ett specifikt protokoll för mikrovågspulser för att identifiera och utöka kontrollen till ytterligare defekter som inte kan ses med en laser, som kallas mörka snurr.
Forskarna försöker kontrollera ett större antal mörka snurr genom att lokalisera dem genom ett nätverk av anslutna snurr. Med utgångspunkt från detta centrala NV-snurr bygger forskarna denna kedja genom att koppla NV-snurret till ett närliggande mörkt spinn och sedan använda detta mörka spinn som en sond för att hitta och kontrollera ett mer avlägset spinn som inte kan kännas av NV direkt . Processen kan upprepas på dessa mer avlägsna snurr för att kontrollera längre kedjor.
"En läxa jag lärde mig av det här arbetet är att det kan vara ganska nedslående att söka i mörker när man inte ser resultat, men vi kunde ta den här risken. Det är möjligt, med lite mod, att söka på platser som människor har tillflyktsort till. Jag har inte letat förut och hittar potentiellt mer fördelaktiga qubits", säger Alex Ungar.
En Ph.D. student i elektroteknik och datavetenskap och medlem av Quantum Engineering Group vid MIT, Ungar är huvudförfattare till en artikel om denna teknik, som publicerades den 7 februari i PRX Quantum .
Hans medförfattare inkluderar hans rådgivare och motsvarande författare, Paola Cappellaro, Ford-professorn i teknik vid institutionen för kärnvetenskap och teknik och professor i fysik; samt Alexandre Cooper, senior forskare vid University of Waterloo Institute for Quantum Computing; och Won Kyu Calvin Sun, en tidigare forskare i Cappellaros grupp som nu är postdoc vid University of Illinois i Urbana-Champaign.
För att skapa NV-center implanterar forskare kväve i ett diamantprov.
Men att införa kväve i diamanten skapar andra typer av atomära defekter i den omgivande miljön. Vissa av dessa defekter, inklusive NV-centret, kan vara värd för så kallade elektroniska spins, som härrör från valenselektronerna runt platsen för defekten. Valenselektroner är de i det yttersta skalet av en atom. En defekts interaktion med ett externt magnetfält kan användas för att bilda en qubit.
Forskare kan utnyttja dessa elektroniska snurr från närliggande defekter för att skapa fler qubits runt ett enda NV-center. Denna större samling av qubits är känd som ett kvantregister. Att ha ett större kvantregister ökar prestandan hos en kvantsensor.
Några av dessa elektroniska spinndefekter är anslutna till NV-centret genom magnetisk interaktion. I tidigare arbeten använde forskare denna interaktion för att identifiera och kontrollera närliggande snurr. Detta tillvägagångssätt är dock begränsat eftersom NV-centret endast är stabilt under en kort tid, en princip som kallas koherens. Den kan bara användas för att kontrollera de få snurr som kan nås inom denna koherensgräns.
I detta nya dokument använder forskarna en elektronisk spindefekt som är nära NV-centret som en sond för att hitta och kontrollera ytterligare ett spinn, vilket skapar en kedja av tre qubits.
De använder en teknik som kallas spin echo double resonance (SEDOR), som involverar en serie mikrovågspulser som kopplar bort ett NV-center från alla elektroniska spins som interagerar med det. Sedan applicerar de selektivt ytterligare en mikrovågspuls för att para ihop NV-centret med en närliggande snurr.
Till skillnad från NV kan dessa närliggande mörka snurrar inte exciteras, eller polariseras, med laserljus. Denna polarisering är ett nödvändigt steg för att kontrollera dem med mikrovågor.
När forskarna väl har hittat och karakteriserat ett första lagers spinn, kan de överföra NV:s polarisation till detta första lagers spin genom den magnetiska interaktionen genom att applicera mikrovågor på båda snurrarna samtidigt. Sedan när det första lagrets spinn är polariserat upprepar de SEDOR-processen på det första lagrets spinn, och använder det som en sond för att identifiera ett andra lagers spinn som interagerar med det.
Denna upprepade SEDOR-process gör det möjligt för forskarna att upptäcka och karakterisera en ny, distinkt defekt som ligger utanför koherensgränsen för NV-centret. För att kontrollera detta mer avlägsna spinn applicerar de noggrant en specifik serie mikrovågspulser som gör det möjligt för dem att överföra polarisationen från NV-centrum längs kedjan till detta andra lagers spinn.
"Detta sätter scenen för att bygga större kvantregister till högre lagersnurr eller längre spinnkedjor, och visar också att vi kan hitta dessa nya defekter som inte upptäcktes tidigare genom att skala upp den här tekniken," säger Ungar.
För att styra ett snurr måste mikrovågspulserna vara mycket nära resonansfrekvensen för det snurrandet. Små avvikelser i experimentupplägget, på grund av temperatur eller vibrationer, kan kasta av sig mikrovågspulserna.
Forskarna kunde optimera sitt protokoll för att skicka exakta mikrovågspulser, vilket gjorde det möjligt för dem att effektivt identifiera och kontrollera andra lagers spinn, säger Ungar.
"Vi letar efter något i det okända, men samtidigt kanske miljön inte är stabil, så du vet inte om det du hittar bara är buller. När du börjar se lovande saker kan du lägga alla dina bästa ansträngning i den riktningen Men innan du kommer dit är det ett språng i tro, säger Cappellaro.
Medan de effektivt kunde demonstrera en tresnurrskedja, uppskattar forskarna att de kunde skala sin metod till ett femte lager med hjälp av deras nuvarande protokoll, vilket kan ge tillgång till hundratals potentiella qubits. Med ytterligare optimering kan de kanske skala upp till fler än 10 lager.
I framtiden planerar de att fortsätta att förbättra sin teknik för att effektivt karakterisera och undersöka andra elektroniska snurr i miljön och utforska olika typer av defekter som kan användas för att bilda qubits.
Mer information: Alexander Ungar et al, Control of an Environmental Spin Defect beyond the Coherence Limit of a Central Spin, PRX Quantum (2024). DOI:10.1103/PRXQuantum.5.010321
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
