Bessere Quantensensoren bauen

Normalerweise ist ein Fehler in einem Diamanten eine schlechte Sache. Aber für Ingenieure ebnen winzige Punkte in der ansonsten steifen Kristallstruktur eines Diamanten den Weg für ultraempfindliche Quantensensoren, die die Grenzen heutiger Technologien verschieben. Nun haben Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der University of Chicago eine Methode entwickelt, um diese Quantensensoren zu optimieren, die unter anderem winzige Störungen in magnetischen oder elektrischen Feldern erkennen können.

Ihr neuer Ansatz, veröffentlicht in PRX Quantumnutzt die Art und Weise, wie sich Defekte in Diamanten oder Halbleitern wie Qubits verhalten – die kleinste Einheit von Quanteninformationen.

„Forscher verwenden diese Art von Qubit bereits, um wirklich erstaunliche Sensoren herzustellen“, sagte Prof. Aashish Clerk, leitender Autor der neuen Arbeit. „Wir haben einen besseren Weg gefunden, um die meisten Informationen aus diesen Qubits herauszuholen.“

Qubits leuchten den Weg

Ein perfekter Diamant besteht aus Kohlenstoffatomen, die in einem sich wiederholenden Gitter angeordnet sind. Ersetzen Sie eines dieser Atome durch etwas anderes – wie ein Stickstoffatom – und die Art und Weise, wie das neue, eigenständige Atom inmitten der harten Struktur des Diamanten sitzt, verleiht ihm einzigartige Quanteneigenschaften. Winzige Änderungen in der Umgebung, von der Temperatur bis zur Elektrizität, verändern die Art und Weise, wie sich diese „Festkörperdefekte“ drehen und Energie speichern.

Forscher entdeckten, dass sie ein Licht auf eines dieser Qubits richten und dann messen können, wie Licht abgelenkt und freigesetzt wird, um seinen Quantenzustand zu untersuchen. Auf diese Weise können sie es als Quantensensor verwenden.

Die Analyse der Informationen eines Festkörperdefekts ist jedoch schwierig, insbesondere wenn viele solcher Qubits in einen Sensor eingebettet sind. Da jedes Qubit Energie freisetzt, verändert diese Energie das Verhalten von Qubits in der Nähe.

„Am Ende korrelieren die Qubits alle auf eine komische Weise miteinander, die klassisch keinen Sinn ergibt“, sagte Clerk. „Was ein Qubit tut, ist eng mit dem verbunden, was andere Qubits tun.“

Wenn Licht lange genug auf ein Qubit scheint, kehrt es außerdem in seinen Grundzustand zurück und verliert alle darin codierten Informationen.

Informationen verstärken

Clerk machte sich zusammen mit Kollegen, darunter Postdoktorand Martin Koppenhöfer, dem Erstautor der neuen Veröffentlichung, daran, eine grundlegende Frage zur Physik zu stellen, wie Qubits miteinander interagieren. Im Verlauf dieser Forschung entdeckten sie einen neuen Trick, um Informationen aus Festkörper-Defekt-Qubits zu gewinnen.

Wenn ein Netzwerk von Festkörperdefekten Energie in einem Ausbruch von Photonen freisetzt, beschönigen Forscher normalerweise die genaue Natur der Qubits, während diese Energie freigesetzt wird; sie konzentrieren sich stattdessen auf die Daten vor und nach diesem plötzlichen Ausbruch.

Die Clerk-Gruppe entdeckte jedoch, dass noch sensiblere Informationen über die Qubits in dieser Energiefreisetzung (die als „superradiant Spin Decay“ bezeichnet wird) kodiert sind.

„Die Leute hatten angenommen, dass alle Qubits aufgeregt anfangen und am Ende entspannt sind, und es scheint wirklich langweilig zu sein“, sagte er. „Aber wir haben festgestellt, dass es diese leichte Variation zwischen den Qubits gibt; sie sind nicht alle völlig aufgeregt und sie entspannen sich nicht alle vollständig synchron.“

Clerk und sein Team konzentrierten sich auf diesen lange ignorierten Zeitpunkt inmitten des superradianten Spinzerfalls und zeigten, wie die in Festkörperdefekten gespeicherte Information verstärkt wird.

Die Zukunft der Quantensensorik

Für Ingenieure, die versuchen, Quantensensoren zu entwickeln, die alles von Magnetfeldern – für eine bessere Navigation oder Analyse molekularer Strukturen – bis hin zu Temperaturänderungen in lebenden Zellen messen, bietet der neue Ansatz eine dringend benötigte Verbesserung der Empfindlichkeit.

„In der Vergangenheit hat das sehr verrauschte endgültige Auslesen von Qubits in diesen Sensoren wirklich alles eingeschränkt“, sagte Clerk. „Nun, dieser Mechanismus bringt Sie zu einem Stadium, in dem Sie sich nicht mehr um diese verrauschte Endanzeige kümmern; Sie konzentrieren sich auf die wertvolleren Daten, die davor codiert wurden.“

Sein Team plant nun zukünftige Forschungen darüber, wie die Empfindlichkeit von Festkörperdefekten noch weiter verbessert werden kann, indem die Daten von jedem Qubit unterschieden werden, anstatt eine Anzeige aus der gesamten Verschränkung zu erhalten. Sie denken, dass ihr neuer Ansatz dieses Ziel leichter erreichbar macht als in der Vergangenheit.