Technik könnte die Empfindlichkeit von Quantensensorgeräten verbessern

In der Quantensensorik werden Quantensysteme auf atomarer Ebene verwendet, um elektromagnetische Felder sowie Eigenschaften wie Rotation, Beschleunigung und Entfernung weitaus präziser zu messen, als dies mit klassischen Sensoren möglich ist. Die Technologie könnte beispielsweise Geräte ermöglichen, die das Gehirn mit beispielloser Detailgenauigkeit abbilden, oder Flugsicherungssysteme mit präziser Positionierungsgenauigkeit.

Da viele reale Quantensensorgeräte entstehen, besteht eine vielversprechende Richtung darin, mikroskopische Defekte im Inneren von Diamanten zu nutzen, um „Qubits“ zu erzeugen, die für die Quantensensorik verwendet werden können. Qubits sind die Bausteine ​​von Quantengeräten.

Forscher am MIT und anderswo haben eine Technik entwickelt, die es ihnen ermöglicht, eine größere Anzahl dieser mikroskopischen Defekte zu identifizieren und zu kontrollieren. Dies könnte ihnen helfen, ein größeres System von Qubits aufzubauen, das Quantensensorik mit größerer Empfindlichkeit durchführen kann.

Ihre Methode baut auf einem zentralen Defekt im Inneren eines Diamanten auf, einem sogenannten Stickstoff-Leerstellen-Zentrum (NV-Zentrum), das Wissenschaftler mithilfe von Laserlicht erkennen und anregen und dann mit Mikrowellenimpulsen steuern können. Dieser neue Ansatz verwendet ein spezielles Protokoll von Mikrowellenimpulsen, um diese Kontrolle zu identifizieren und auf zusätzliche Defekte auszudehnen, die mit einem Laser nicht sichtbar sind, die sogenannten Dunkelspins.

Die Forscher versuchen, eine größere Anzahl dunkler Spins zu kontrollieren, indem sie sie über ein Netzwerk verbundener Spins lokalisieren. Ausgehend von diesem zentralen NV-Spin bauen die Forscher diese Kette auf, indem sie den NV-Spin mit einem nahe gelegenen dunklen Spin koppeln und diesen dunklen Spin dann als Sonde verwenden, um einen weiter entfernten Spin zu finden und zu steuern, der vom NV nicht direkt erfasst werden kann . Der Vorgang kann an diesen weiter entfernten Spins wiederholt werden, um längere Ketten zu steuern.

„Eine Lektion, die ich aus dieser Arbeit gelernt habe, ist, dass die Suche im Dunkeln ziemlich entmutigend sein kann, wenn man keine Ergebnisse sieht, aber wir konnten dieses Risiko eingehen. Mit etwas Mut ist es möglich, an Orten zu suchen, die Menschen suchen.“ „Wir werden noch nie zuvor gesucht und potenziell vorteilhaftere Qubits finden“, sagt Alex Ungar.

Ein Ph.D. Ungar ist Student der Elektrotechnik und Informatik und Mitglied der Quantum Engineering Group am MIT. Er ist Hauptautor einer Arbeit über diese Technik veröffentlicht 7. Februar PRX Quantum.

Zu seinen Co-Autoren gehören seine Beraterin und korrespondierende Autorin Paola Cappellaro, Ford-Professorin für Ingenieurwissenschaften am Department of Nuclear Science and Engineering und Professorin für Physik; sowie Alexandre Cooper, ein leitender Forschungswissenschaftler am Institute for Quantum Computing der University of Waterloo; und Won Kyu Calvin Sun, ein ehemaliger Forscher in Cappellaros Gruppe, der jetzt Postdoc an der University of Illinois in Urbana-Champaign ist.

Diamantfehler

Um NV-Zentren zu schaffen, implantieren Wissenschaftler Stickstoff in eine Diamantprobe.

Das Einbringen von Stickstoff in den Diamanten führt jedoch zu anderen Arten atomarer Defekte in der Umgebung. Einige dieser Defekte, darunter das NV-Zentrum, können sogenannte elektronische Spins beherbergen, die von den Valenzelektronen rund um die Defektstelle herrühren. Valenzelektronen sind diejenigen in der äußersten Schale eines Atoms. Die Wechselwirkung eines Defekts mit einem externen Magnetfeld kann zur Bildung eines Qubits genutzt werden.

Forscher können diese elektronischen Spins benachbarter Defekte nutzen, um mehr Qubits um ein einzelnes NV-Zentrum herum zu erzeugen. Diese größere Sammlung von Qubits wird als Quantenregister bezeichnet. Ein größeres Quantenregister steigert die Leistung eines Quantensensors.

Einige dieser elektronischen Spindefekte sind durch magnetische Wechselwirkung mit dem NV-Zentrum verbunden. In früheren Arbeiten nutzten Forscher diese Wechselwirkung, um benachbarte Spins zu identifizieren und zu kontrollieren. Dieser Ansatz ist jedoch begrenzt, da das NV-Zentrum nur für kurze Zeit stabil ist, ein Prinzip, das als Kohärenz bezeichnet wird. Es kann nur zur Steuerung der wenigen Spins verwendet werden, die innerhalb dieser Kohärenzgrenze erreicht werden können.

In dieser neuen Arbeit verwenden die Forscher einen elektronischen Spindefekt in der Nähe des NV-Zentrums als Sonde, um einen zusätzlichen Spin zu finden und zu steuern, wodurch eine Kette aus drei Qubits entsteht.

Sie verwenden eine als Spin-Echo-Doppelresonanz (SEDOR) bekannte Technik, bei der eine Reihe von Mikrowellenimpulsen ein NV-Zentrum von allen elektronischen Spins entkoppeln, die mit ihm interagieren. Dann wenden sie selektiv einen weiteren Mikrowellenimpuls an, um das NV-Zentrum mit einem nahegelegenen Spin zu paaren.

Im Gegensatz zur NV können diese benachbarten dunklen Spins mit Laserlicht nicht angeregt oder polarisiert werden. Diese Polarisation ist ein erforderlicher Schritt, um sie mit Mikrowellen zu steuern.

Sobald die Forscher einen Spin der ersten Schicht gefunden und charakterisiert haben, können sie die Polarisation der NV durch die magnetische Wechselwirkung auf diesen Spin der ersten Schicht übertragen, indem sie gleichzeitig Mikrowellen auf beide Spins anwenden. Sobald der Spin der ersten Schicht polarisiert ist, wiederholen sie den SEDOR-Prozess am Spin der ersten Schicht und verwenden ihn als Sonde, um einen Spin der zweiten Schicht zu identifizieren, der mit ihm interagiert.

Eine Kette dunkler Spins kontrollieren

Dieser wiederholte SEDOR-Prozess ermöglicht es den Forschern, einen neuen, eindeutigen Defekt zu erkennen und zu charakterisieren, der außerhalb der Kohärenzgrenze des NV-Zentrums liegt. Um diesen weiter entfernten Spin zu kontrollieren, wenden sie vorsichtig eine bestimmte Reihe von Mikrowellenpulsen an, die es ihnen ermöglichen, die Polarisation vom NV-Zentrum entlang der Kette auf diesen Spin der zweiten Schicht zu übertragen.

„Dies schafft die Voraussetzungen für den Aufbau größerer Quantenregister für Spins höherer Schichten oder längere Spinketten und zeigt auch, dass wir durch die Skalierung dieser Technik diese neuen Defekte finden können, die zuvor noch nicht entdeckt wurden“, sagt Ungar.

Um einen Spin zu steuern, müssen die Mikrowellenimpulse sehr nahe an der Resonanzfrequenz dieses Spins liegen. Winzige Abweichungen im Versuchsaufbau aufgrund von Temperatur oder Vibrationen können die Mikrowellenimpulse stören.

Die Forscher konnten ihr Protokoll für das Senden präziser Mikrowellenimpulse optimieren, was es ihnen ermöglichte, Spins der zweiten Schicht effektiv zu identifizieren und zu kontrollieren, sagt Ungar.

„Wir suchen nach etwas im Unbekannten, aber gleichzeitig ist die Umgebung möglicherweise nicht stabil, sodass Sie nicht wissen, ob es sich bei dem, was Sie finden, nur um Rauschen handelt. Sobald Sie vielversprechende Dinge sehen, können Sie alles daransetzen.“ „Ich versuche, mein Bestes in diese eine Richtung zu geben. Aber bevor man dort ankommt, ist es ein Vertrauensvorschuss“, sagt Cappellaro.

Während sie eine Drei-Spin-Kette effektiv demonstrieren konnten, schätzen die Forscher, dass sie ihre Methode mit ihrem aktuellen Protokoll auf eine fünfte Schicht skalieren könnten, was den Zugriff auf Hunderte potenzieller Qubits ermöglichen könnte. Mit weiterer Optimierung können sie möglicherweise auf mehr als 10 Ebenen skaliert werden.

In Zukunft planen sie, ihre Technik weiter zu verbessern, um andere elektronische Spins in der Umgebung effizient zu charakterisieren und zu untersuchen und verschiedene Arten von Defekten zu erforschen, die zur Bildung von Qubits verwendet werden könnten.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.