Βελτίωση της ευαισθησίας κβαντικών αισθητήρων

Η επανάσταση της κβαντικής αισθητικής

Η κβαντική αισθητική αποτελεί μια καινοτόμο τεχνολογία που χρησιμοποιεί κβαντικά συστήματα σε ατομική κλίμακα για τη μέτρηση ηλεκτρομαγνητικών πεδίων και άλλων ιδιοτήτων όπως η περιστροφή, η επιτάχυνση και η απόσταση, με ακρίβεια που ξεπερνά κατά πολύ αυτή των κλασικών αισθητήρων. Αυτή η τεχνολογία μπορεί να επιτρέψει τη δημιουργία συσκευών που απεικονίζουν τον εγκέφαλο με πρωτοφανή λεπτομέρεια ή συστημάτων ελέγχου εναέριας κυκλοφορίας με ακριβή τοποθέτηση.

Η δύναμη των κβαντικών bits

Καθώς οι κβαντικοί αισθητήρες αρχίζουν να βρίσκουν εφαρμογές στον πραγματικό κόσμο, μια πολλά υποσχόμενη κατεύθυνση είναι η χρήση μικροσκοπικών ελαττωμάτων μέσα σε διαμάντια για τη δημιουργία “qubits”, των βασικών δομικών μονάδων των κβαντικών συσκευών. Οι ερευνητές στο MIT και αλλού έχουν αναπτύξει μια τεχνική που τους επιτρέπει να εντοπίζουν και να ελέγχουν μεγαλύτερο αριθμό από αυτά τα μικροσκοπικά ελαττώματα, γεγονός που μπορεί να βοηθήσει στην κατασκευή μεγαλύτερων συστημάτων qubits με αυξημένη ευαισθησία.

Το κεντρικό ελάττωμα και η επέκταση του ελέγχου

Η μέθοδος αυτή βασίζεται σε ένα κεντρικό ελάττωμα μέσα στο διαμάντι, γνωστό ως κέντρο αζώτου-κενής θέσης (NV), το οποίο οι επιστήμονες μπορούν να εντοπίσουν και να διεγείρουν με λέιζερ και στη συνέχεια να ελέγξουν με παλμούς μικροκυμάτων. Αυτή η νέα προσέγγιση χρησιμοποιεί ένα συγκεκριμένο πρωτόκολλο παλμών μικροκυμάτων για να εντοπίσει και να επεκτείνει τον έλεγχο σε επιπλέον ελαττώματα που δεν μπορούν να ανιχνευθούν με λέιζερ, τα οποία ονομάζονται σκοτεινές περιστροφές.

Αναζήτηση στο σκοτάδι

Οι ερευνητές επιδιώκουν να ελέγξουν μεγαλύτερους αριθμούς σκοτεινών περιστροφών εντοπίζοντάς τες μέσω ενός δικτύου συνδεδεμένων περιστροφών. Ξεκινώντας από αυτή την κεντρική περιστροφή NV, οι ερευνητές δημιουργούν αυτή την αλυσίδα συνδέοντας την περιστροφή NV με μια κοντινή σκοτεινή περιστροφή και στη συνέχεια χρησιμοποιούν αυτή τη σκοτεινή περιστροφή ως ανιχνευτή για να βρουν και να ελέγξουν μια πιο απομακρυσμένη περιστροφή που δεν μπορεί να ανιχνευθεί άμεσα από την NV. Η διαδικασία μπορεί να επαναληφθεί σε αυτές τις πιο απομακρυσμένες περιστροφές για να ελέγξουν μεγαλύτερες αλυσίδες.

Η πρόκληση της σταθερότητας

Η σταθερότητα του κέντρου NV είναι περιορισμένη, μια αρχή γνωστή ως συνοχή. Αυτή η περιορισμένη συνοχή σημαίνει ότι το κέντρο NV μπορεί να ελέγξει μόνο τις περιστροφές που βρίσκονται εντός αυτού του χρονικού ορίου. Ωστόσο, με την τεχνική που αναπτύχθηκε, οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν μια ηλεκτρονική περιστροφή κοντά στο κέντρο NV ως ανιχνευτή για να βρουν και να ελέγξουν μια επιπλέον περιστροφή, δημιουργώντας μια αλυσίδα τριών qubits.

Η τεχνική SEDOR

Χρησιμοποιούν μια τεχνική γνωστή ως spin echo double resonance (SEDOR), που περιλαμβάνει μια σειρά από παλμούς μικροκυμάτων που αποσυνδέουν ένα κέντρο NV από όλες τις ηλεκτρονικές περιστροφές που αλληλεπιδρούν με αυτό. Στη συνέχεια, εφαρμόζουν επιλεκτικά έναν άλλο παλμό μικροκυμάτων για να συνδέσουν το κέντρο NV με μια κοντινή περιστροφή. Σε αντίθεση με το NV, αυτές οι γειτονικές σκοτεινές περιστροφές δεν μπορούν να διεγερθούν ή να πολωθούν με φως λέιζερ, κάτι που είναι απαραίτητο για τον έλεγχό τους με μικροκύματα.

Πολωτική μεταφορά και έλεγχος

Μόλις οι ερευνητές εντοπίσουν και χαρακτηρίσουν μια περιστροφή πρώτου επιπέδου, μπορούν να μεταφέρουν την πόλωση του NV σε αυτή την περιστροφή μέσω της μαγνητικής αλληλεπίδρασης εφαρμόζοντας μικροκύματα και στις δύο περιστροφές ταυτόχρονα. Αφού η περιστροφή πρώτου επιπέδου πολωθεί, επαναλαμβάνουν τη διαδικασία SEDOR σε αυτή την περιστροφή, χρησιμοποιώντας την ως ανιχνευτή για να εντοπίσουν μια περιστροφή δεύτερου επιπέδου που αλληλεπιδρά με αυτήν.

Η επέκταση των κβαντικών καταχωρητών

Αυτή η επαναλαμβανόμενη διαδικασία SEDOR επιτρέπει στους ερευνητές να ανιχνεύσουν και να χαρακτηρίσουν ένα νέο, διακριτό ελάττωμα που βρίσκεται εκτός του ορίου συνοχής του κέντρου NV. Για να ελέγξουν αυτή την πιο απομακρυσμένη περιστροφή, εφαρμόζουν προσεκτικά μια συγκεκριμένη σειρά παλμών μικροκυμάτων που τους επιτρέπει να μεταφέρουν την πόλωση από το κέντρο NV κατά μήκος της αλυσίδας σε αυτή την περιστροφή δεύτερου επιπέδου.

Το μέλλον της τεχνολογίας

Οι ερευνητές εκτιμούν ότι θα μπορούσαν να κλιμακώσουν τη μέθοδο τους σε ένα πέμπτο επίπεδο χρησιμοποιώντας το τρέχον πρωτόκολλο τους, το οποίο θα μπορούσε να παρέχει πρόσβαση σε εκατοντάδες πιθανά qubits. Με περαιτέρω βελτιστοποίηση, ενδέχεται να μπορέσουν να κλιμακώσουν σε περισσότερα από 10 επίπεδα. Στο μέλλον, σχεδιάζουν να συνεχίσουν να βελτιώνουν την τεχνική τους για να χαρακτηρίζουν και να εξερευνούν αποτελεσματικά άλλες ηλεκτρονικές περιστροφές στο περιβάλλον και να εξετάζουν διαφορετικούς τύπους ελαττωμάτων που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία qubits.

Αυτή η έρευνα υποστηρίζεται, εν μέρει, από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των Η.Π.Α. και το Ταμείο Αριστείας Έρευνας του Καναδά.