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(noticias nanowerk) En la detección cuántica, los sistemas cuánticos se utilizan a escala atómica para medir campos electromagnéticos y propiedades como la rotación, la aceleración y la distancia con mucha más precisión que los sensores clásicos. Por ejemplo, la tecnología podría permitir dispositivos que obtengan imágenes del cerebro con un detalle sin precedentes o sistemas de control de tráfico aéreo con precisión de posicionamiento precisa.
Con la aparición de muchos dispositivos de detección cuántica del mundo real, una dirección prometedora es explotar los defectos microscópicos dentro de los diamantes para crear “qubits” que puedan usarse para la detección cuántica. Los qubits son los componentes básicos de los dispositivos cuánticos.
![Los investigadores utilizan defectos microscópicos dentro de un diamante para construir una cadena de tres qubits (que se muestran como pequeños círculos con flechas) que pueden utilizar para la detección cuántica.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64630_1.jpg)
Investigadores del MIT y de otros lugares han desarrollado una técnica que les permite identificar y controlar una mayor cantidad de estos defectos microscópicos. Esto podría ayudarles a construir un sistema más grande de qubits que pueda realizar sensores cuánticos con mayor sensibilidad.
Su método se basa en un defecto central dentro de un diamante, llamado centro de vacantes de nitrógeno (centro NV), que los científicos pueden detectar y excitar utilizando luz láser y luego controlar con pulsos de microondas. Este nuevo enfoque utiliza un protocolo especial de pulsos de microondas para identificar y extender este control a defectos adicionales que no son visibles con un láser, llamados giros oscuros.
Los investigadores están intentando controlar un mayor número de espines oscuros localizándolos a través de una red de espines conectados. A partir de este giro NV central, los investigadores construyen esta cadena acoplando el giro NV a un giro oscuro cercano y luego usando ese giro oscuro como sonda para encontrar y controlar un giro más distante, el del NV no se puede registrar directamente. El proceso se puede repetir en estos espines más distantes para controlar cadenas más largas.
“Una lección que aprendí de este trabajo es que buscar en la oscuridad puede ser bastante desalentador cuando no se ven resultados, pero pudimos correr ese riesgo. Con un poco de coraje, es posible buscar en lugares donde la gente no ha mirado antes y encontrar qubits potencialmente más ventajosos”, afirma Alex Ungar, candidato a doctorado en ingeniería eléctrica e informática y miembro del Grupo de Ingeniería Cuántica del MIT. el autor principal de un artículo sobre esta técnica publicado en PRX cuántico (“Control de un defecto de espín ambiental más allá del límite de coherencia de un espín central”).
Sus coautores incluyen a su asesora y autora correspondiente Paola Cappellaro, Profesora Ford de Ingeniería en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear y profesora de física; y Alexandre Cooper, científico investigador senior del Instituto de Computación Cuántica de la Universidad de Waterloo; y Won Kyu Calvin Sun, ex investigador del grupo de Cappellaro que ahora es becario postdoctoral en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Defectos de diamante
Para crear centros NV, los científicos implantan nitrógeno en una muestra de diamante.
Sin embargo, la introducción de nitrógeno en el diamante crea otros tipos de defectos atómicos en el área circundante. Algunos de estos defectos, incluido el centro NV, pueden albergar los llamados espines electrónicos que surgen de los electrones de valencia que rodean el sitio del defecto. Los electrones de valencia son los que se encuentran en la capa más externa de un átomo. La interacción de un defecto con un campo magnético externo se puede utilizar para formar un qubit.
Los investigadores pueden utilizar estos giros electrónicos de defectos vecinos para crear más qubits alrededor de un único centro NV. Esta colección más grande de qubits se llama registro cuántico. Un registro cuántico más grande aumenta el rendimiento de un sensor cuántico.
Algunos de estos defectos electrónicos del espín están vinculados al centro NV mediante interacción magnética. En trabajos anteriores, los investigadores utilizaron esta interacción para identificar y controlar espines vecinos. Sin embargo, este enfoque es limitado porque el centro NV sólo es estable durante un corto tiempo, un principio llamado coherencia. Sólo se puede utilizar para controlar los pocos giros que se pueden lograr dentro de este límite de coherencia.
En este nuevo trabajo, los investigadores utilizan un defecto de espín electrónico cerca del centro NV como sonda para encontrar y controlar un espín adicional, creando una cadena de tres qubits.
Utilizan una técnica conocida como doble resonancia de espín-eco (SEDOR), en la que una serie de pulsos de microondas desacoplan un centro NV de cualquier espín electrónico que interactúe con él. Luego aplican selectivamente otro pulso de microondas para emparejar el centro NV con un espín cercano.
A diferencia de NV, estos espines oscuros vecinos no pueden excitarse ni polarizarse con luz láser. Esta polarización es un paso necesario para controlar con microondas.
Una vez que los investigadores han encontrado y caracterizado un espín de la primera capa, pueden transferir la polarización del NV a ese espín de la primera capa a través de la interacción magnética aplicando microondas a ambos espines simultáneamente. Una vez polarizado el espín de la primera capa, repiten el proceso SEDOR en el espín de la primera capa y lo utilizan como sonda para identificar un espín de la segunda capa que interactúa con él.
Controla una cadena de giros oscuros
Este proceso SEDOR repetido permite a los investigadores detectar y caracterizar un defecto nuevo y único que se encuentra fuera del límite de coherencia del centro NV. Para controlar este espín más distante, aplican cuidadosamente una serie específica de pulsos de microondas que les permiten transferir la polarización desde el centro NV a lo largo de la cadena hasta este espín de segunda capa.
«Esto prepara el escenario para construir registros cuánticos más grandes para espines de capas superiores o cadenas de espín más largas y también muestra que al ampliar esta técnica podemos encontrar estos nuevos defectos que no se han descubierto antes», dice Ungar.
Para controlar un giro, los pulsos de microondas deben estar muy cerca de la frecuencia de resonancia de ese giro. Pequeñas desviaciones en la configuración experimental debido a la temperatura o las vibraciones pueden alterar los pulsos de microondas.
Los investigadores pudieron optimizar su protocolo para enviar pulsos de microondas precisos, lo que les permitió identificar y controlar eficazmente los espines de la segunda capa, dice Ungar.
“Estamos buscando algo en lo desconocido, pero al mismo tiempo el entorno puede no ser estable, por lo que no sabes si lo que encuentras es sólo ruido. Una vez que vea cosas prometedoras, podrá hacer lo mejor que pueda en esa dirección. Pero antes de llegar allí, es un acto de fe”, dice Cappellaro.
Si bien pudieron demostrar de manera efectiva una cadena de tres espines, los investigadores estiman que con su protocolo actual podrían escalar su método a una quinta capa, lo que podría permitir el acceso a cientos de qubits potenciales. Con una mayor optimización, potencialmente pueden escalar a más de 10 niveles.
En el futuro, planean mejorar aún más su técnica para caracterizar y estudiar de manera eficiente otros espines electrónicos en el medio ambiente y explorar diferentes tipos de defectos que podrían usarse para formar qubits.
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