بهبود قابلیت حسگری کوانتومی با کمک کنترل نقص‌های میکروسکوپی

خلاصه خبر:
 

محققان MIT تکنیکی را برای کنترل نقص های میکروسکوپی در الماس توسعه داده اند که به طور بالقوه حساسیت دستگاه های حسگری کوانتومی را بهبود می بخشد. آنها با استفاده از پروتکل خاصی از پالس‌های مایکروویو، کنترل را به نقص‌های اضافی به نام اسپین‌های تاریک که با نور لیزر نمی‌توان دید، گسترش دادند. این روش امکان تشخیص و شناسایی عیوب جدید واقع در فراتر از حد انسجام نقص مرکزی را فراهم می کند. محققان یک زنجیره سه اسپین را نشان دادند و تخمین زدند که رویکرد آنها می تواند تا لایه پنجم مقیاس شود و دسترسی به صدها کیوبیت بالقوه را فراهم کند. این پیشرفت پیامدهایی برای حسگری مقیاس نانو، تصحیح خطا و توسعه سیم‌های کوانتومی با زنجیره اسپینی برای ارتباطات کوانتومی دارد.


توضیحات تکمیلی:
 

محققان MIT تکنیکی را توسعه داده‌اند که کنترل نقص‌های میکروسکوپی در الماس را افزایش می‌دهد و به طور بالقوه حساسیت دستگاه‌های حسگری  کوانتومی را بهبود می‌بخشد. حسگری کوانتومی از سیستم‌های کوانتومی در مقیاس اتمی برای اندازه‌گیری میدان‌های الکترومغناطیسی و سایر خواص با دقتی بی‌نظیر استفاده می‌کند. هدف دانشمندان با استفاده از نقص‌های میکروسکوپی در الماس‌های موسوم به «کیوبیت‌ها» که می‌توانند به عنوان بلوک‌های سازنده دستگاه‌های کوانتومی عمل کنند، ساختن سیستم‌های بزرگ‌تری هستند که می‌توانند وظایف حسگری کوانتومی را با حساسیت بالا انجام دهند.
 

روش جدید بر یک نقص مرکزی در الماس به نام مرکز خالی نیتروژن (NV) متمرکز است. با استفاده از پروتکل خاصی از پالس‌های مایکروویو، محققان توانستند نقص‌های اضافی به نام اسپین‌های تاریک را که با استفاده از نور لیزر قابل مشاهده نیستند، شناسایی کرده و کنترل کنند. این تیم از شبکه‌ای از اسپین‌های متصل برای مکان‌یابی و کنترل تعداد بیشتری از اسپین‌های تاریک استفاده کرد و در نتیجه تعداد بالقوه کیوبیت‌ها را افزایش دادند.
 

محققان از تکنیکی به نام رزونانس دوگانه اکو اسپین (SEDOR) استفاده کردند که شامل یک سری پالس های مایکروویو برای جدا کردن مرکز NV از تعامل اسپین های الکترونیکی بود. آنها به طور انتخابی مرکز NV را با یک اسپین تاریک نزدیک جفت کردند و زنجیره ای از سه کیوبیت را تشکیل دادند. این رویکرد به آنها اجازه داد تا یک نقص جدید را که فراتر از حد انسجام مرکز NV قرار دارد شناسایی و مشخص کنند و قطبش را در طول زنجیره به اسپین لایه دوم منتقل کنند.
 

در حالی که محققان یک زنجیره سه اسپین را نشان می دهند، تخمین می زنند که روش آنها می تواند تا لایه پنجم مقیاس شود و به طور بالقوه دسترسی به صدها کیوبیت را فراهم کند. این تیم قصد دارد تکنیک خود را برای کاوش و پروب کارآمد دیگر اسپین های الکترونیکی در محیط بهینه کند و فرصت هایی را برای ثبت های اسپین کوانتومی بزرگتر باز کند. این پیشرفت می‌تواند پیامدهای قابل‌توجهی برای سنجش مقیاس نانو، تصحیح خطا از طریق طیف‌سنجی نویز همبسته، و توسعه سیم‌های کوانتومی با زنجیره اسپینی برای ارتباطات کوانتومی داشته باشد.
 

این تحقیق که توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده و صندوق تعالی تحقیقات اول کانادا پشتیبانی می‌شود، رویکردی مقیاس‌پذیر را برای گسترش ثبت‌های اسپین الکترونیکی ارائه می‌دهد و چشم‌اندازهای هیجان‌انگیزی را برای پیشبرد اندازه‌شناسی کوانتومی و کاربردهای ارتباطی ارائه می‌دهد.

منبع

Alexander Ungar, Paola Cappellaro, Alexandre Cooper, Won Kyu Calvin Sun. Control of an Environmental Spin Defect beyond the Coherence Limit of a Central Spin. PRX Quantum, 2024; 5 (1) DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.010321