14:37 2024-02-08 science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu

_ Tehnica ar putea îmbunătăți sensibilitatea dispozitivelor de detectare cuantică

_ Tehnica ar putea îmbunătăți sensibilitatea dispozitive cuantice de detectare

În detectarea cuantică, sistemele cuantice la scară atomică sunt folosite pentru a măsura câmpurile electromagnetice, precum și proprietăți precum rotația, accelerația și distanța, mult mai precis decât senzorii clasici. Tehnologia ar putea permite dispozitive care imaginează creierul cu detalii fără precedent, de exemplu, sau sisteme de control al traficului aerian cu precizie de poziționare.

Deoarece apar multe dispozitive de detectare cuantică din lumea reală, o direcție promițătoare este utilizarea de defecte microscopice din interiorul diamantelor pentru a crea „qubiți” care pot fi utilizați pentru detectarea cuantică. Qubiții sunt elementele de bază ale dispozitivelor cuantice.

Cercetătorii de la MIT și din alte părți au dezvoltat o tehnică care le permite să identifice și să controleze un număr mai mare de aceste defecte microscopice. Acest lucru i-ar putea ajuta să construiască un sistem mai mare de qubiți care poate efectua detecție cuantică cu o sensibilitate mai mare.

Metoda lor creează un defect central din interiorul unui diamant, cunoscut sub numele de centru de azot liber (NV), pe care oamenii de știință poate detecta și excita folosind lumina laser și apoi controlează cu impulsuri de microunde. Această nouă abordare utilizează un protocol specific de impulsuri cu microunde pentru a identifica și extinde acel control la defecte suplimentare care nu pot fi văzute cu un laser, care se numesc spinuri întunecate.

Cercetătorii încearcă să controleze un număr mai mare de rotiri întunecate prin localizarea lor printr-o rețea de rotiri conectate. Pornind de la acest spin NV central, cercetătorii construiesc acest lanț prin cuplarea rotației NV la o rotație întunecată din apropiere și apoi folosesc această rotație întunecată ca sondă pentru a găsi și controla o rotație mai îndepărtată care nu poate fi detectată direct de NV. . Procesul poate fi repetat pe aceste rotiri mai îndepărtate pentru a controla lanțurile mai lungi.

„O lecție pe care am învățat-o din această lucrare este că căutarea în întuneric poate fi destul de descurajatoare când nu vezi rezultate, dar noi au putut să-și asume acest risc. Este posibil, cu oarecare curaj, să cauți în locuri pe care oamenii nu le-au mai căutat până acum și să găsești qubiți potențial mai avantajoși”, spune Alex Ungar.

Un doctorat. student în inginerie electrică și informatică și membru al grupului de inginerie cuantică la MIT, Ungar este autorul principal al unei lucrări despre această tehnică, care a fost publicată pe 7 februarie în PRX Quantum.

Co-autorii săi includ consilierul său și autorul corespondent, Paola Cappellaro, profesor Ford de Inginerie în cadrul Departamentului de Știință și Inginerie Nucleară și profesor de fizică; precum și Alexandre Cooper, cercetător senior la Institutul de calcul cuantic al Universității din Waterloo; și Won Kyu Calvin Sun, un fost cercetător din grupul lui Cappellaro, care acum este post-doctorat la Universitatea Illinois din Urbana-Champaign.

Pentru a crea centre NV, oamenii de știință implantează azot într-o probă de diamant.

p>

Dar introducerea azotului în diamant creează alte tipuri de defecte atomice în mediul înconjurător. Unele dintre aceste defecte, inclusiv centrul NV, pot găzdui ceea ce sunt cunoscuți sub numele de spin electronic, care provin din electronii de valență din jurul locului defectului. Electronii de valență sunt cei din învelișul cel mai exterior al unui atom. Interacțiunea unui defect cu un câmp magnetic extern poate fi folosită pentru a forma un qubit.

Cercetătorii pot valorifica aceste rotiri electronice de la defectele învecinate pentru a crea mai mulți qubiți în jurul unui singur centru NV. Această colecție mai mare de qubiți este cunoscută ca un registru cuantic. Având un registru cuantic mai mare, crește performanța unui senzor cuantic.

Unele dintre aceste defecte de spin electronic sunt conectate la centrul NV prin interacțiune magnetică. În lucrările anterioare, cercetătorii au folosit această interacțiune pentru a identifica și controla învârtirile din apropiere. Cu toate acestea, această abordare este limitată deoarece centrul NV este stabil doar pentru o perioadă scurtă de timp, un principiu numit coerență. Poate fi folosit doar pentru a controla puținele rotiri care pot fi atinse în această limită de coerență.

În această nouă lucrare, cercetătorii folosesc un defect de rotație electronică care se află în apropierea centrului NV ca sondă pentru a găsi și controlează o rotație suplimentară, creând un lanț de trei qubiți.

Ei folosesc o tehnică cunoscută sub numele de spin echo double resonance (SEDOR), care implică o serie de impulsuri de microunde care decuplă un centru NV de toate roțile electronice care interacționează cu acesta. Apoi, ei aplică selectiv un alt impuls de microunde pentru a asocia centrul NV cu o rotație din apropiere.

Spre deosebire de NV, aceste rotiri întunecate vecine nu pot fi excitate sau polarizate cu lumina laser. Această polarizare este un pas necesar pentru a le controla cu microunde.

Odată ce cercetătorii găsesc și caracterizează un spin de prim strat, ei pot transfera polarizarea NV la acest spin de prim strat prin interacțiunea magnetică prin aplicarea de microunde. la ambele rotiri simultan. Apoi, odată ce spinul primului strat este polarizat, ei repetă procesul SEDOR pe primul strat, folosindu-l ca o sondă pentru a identifica un spin al doilea strat care interacționează cu acesta.

Acest SEDOR repetat. Procesul permite cercetătorilor să detecteze și să caracterizeze un defect nou, distinct, situat în afara limitei de coerență a centrului NV. Pentru a controla această rotație mai îndepărtată, ei aplică cu atenție o serie specifică de impulsuri de microunde care le permit să transfere polarizarea de la centrul NV de-a lungul lanțului către acest spin al doilea strat.

„Acesta este pregătirea scenei. pentru construirea de registre cuantice mai mari la spinuri de strat superior sau lanțuri de spin mai lungi și, de asemenea, pentru a arăta că putem găsi aceste noi defecte care nu au fost descoperite înainte prin extinderea acestei tehnici", spune Ungar.

Pentru a controla. o rotire, impulsurile microundelor trebuie să fie foarte apropiate de frecvența de rezonanță a acelei rotații. Micile devieri în configurația experimentală, din cauza temperaturii sau vibrațiilor, pot arunca impulsurile de microunde.

Cercetătorii au reușit să își optimizeze protocolul pentru trimiterea de impulsuri precise de microunde, ceea ce le-a permis să identifice și să controleze eficient secunda. -stratul se învârte, spune Ungar.

„Căutăm ceva în necunoscut, dar, în același timp, mediul ar putea să nu fie stabil, așa că nu știi dacă ceea ce găsești este doar zgomot. Odată ce începi să vezi lucruri promițătoare, poți depune toate eforturile în acea direcție. Dar înainte de a ajunge acolo, este un salt de credință", spune Cappellaro.

Deși au reușit să facă Demonstrând eficient un lanț cu trei rotiri, cercetătorii estimează că și-ar putea scala metoda la un al cincilea strat folosind protocolul lor actual, care ar putea oferi acces la sute de potențiali qubiți. Cu o optimizare suplimentară, aceștia pot fi capabili să se extindă până la mai mult de 10 straturi.

În viitor, intenționează să-și îmbunătățească tehnica pentru a caracteriza și a analiza eficient alte rotiri electronice din mediu și a explora diferite tipuri. de defecte care ar putea fi folosite pentru a forma qubiți.

Această poveste este republicată datorită MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site popular care acoperă știri despre cercetare, inovare și predare MIT.

(Fluierul)

Inapoi