В Калифорнийском университете в Санта-Барбаре физики исследуют перспективы создания квантовых технологий на основе искусственно выращенного алмаза. Под руководством Ании Яйич в лаборатории изучаются атомарные дефекты в алмазе, известные как спиновые кубиты, которые могут применяться для квантового сенсинга.

Прорыв в организации квантовых дефектов

Исследователь Лиллиан Хьюз впервые продемонстрировала, что не только отдельные кубиты, но и двумерные ансамбли квантовых дефектов можно организовать и запутывать внутри алмаза. Это открытие прокладывает путь к созданию твердотельных систем с квантовым преимуществом в сенсинге. В ходе экспериментов удалось сформировать двумерный слой NV-центров (азот-вакансия) с контролируемой плотностью и размером, что позволило реализовать сильные дипольные взаимодействия между дефектами.

Особенности NV-центров

NV-центр состоит из атома азота, замещающего атом углерода, и соседней вакансии. Долговечные спиновые состояния этих центров делают их идеальными для квантового сенсинга, поскольку спин взаимодействует с измеряемым магнитным полем.

История и новизна подхода

Использование спина в качестве сенсора известно с 1970-х годов, когда была разработана магнитно-резонансная томография (МРТ). Ранее в экспериментах по квантовому сенсингу в твердых телах применялись одиночные спины или невзаимодействующие ансамбли. Новизна текущей работы заключается в создании плотных ансамблей сильно взаимодействующих спинов, что позволяет использовать коллективное квантовое поведение и явление квантовой запутанности для повышения чувствительности измерений.

Преимущества твердотельных квантовых сенсоров

Ранее сенсоры с квантовой запутанностью применялись только в газофазных атомных системах. Использование твердых материалов, таких как алмаз, облегчает интеграцию сенсора и его приближение к исследуемой системе. Алмазные квантовые сенсоры позволяют размещать исследуемые материалы на нанометровом расстоянии от поверхности алмаза, что удобно для изучения различных объектов.

Такие сенсоры могут быть полезны для исследований биологических систем и новых материалов, включая электронные, сверхпроводящие и магнитные среды.

Преодоление квантового шума

Одной из ключевых задач для исследователей остается преодоление квантового шума, который ограничивает точность измерений. Существует фундаментальный предел, обусловленный квантовым шумом проекции. Для его преодоления применяются методы квантовой корреляции, такие как спиновое сжатие, позволяющее уменьшить неопределенность измерений.

Усиление сигнала и дальнейшие планы

Вторая статья команды описывает стратегию усиления сигнала, при которой измеряемый сигнал усиливается без увеличения шума. Это позволяет более точно фиксировать малые величины.

В будущем планируется применять эти методы в реальных системах, усиливая сигнал или увеличивая степень квантового сжатия. Для этого необходимо контролировать расположение спинов в двумерной плоскости, формируя регулярную решетку. Решение этой задачи приблизит практическое достижение квантового преимущества в сенсинге.