Насчет создания лучших квантовых сенсоров
Обычно, дефект в алмазе — это плохо. Но для инженеров миниатюрные дефекты в жесткой кристаллической структуре алмаза прокладывают путь к сверхчувствительным квантовым сенсорам, которые расширяют границы современных технологий. И теперь исследователи разработали метод оптимизации этих квантовых сенсоров, которые, среди прочего, могут обнаруживать крошечные возмущения в магнитных или электрических полях.
Результаты своей работы физики из Притцкерской школы молекулярной инженерии Чикагского университета опубликовали в журнале PRX Quantum.
Их новый подход использует преимущества того, как дефекты в алмазах или полупроводниках ведут себя как кубиты — наименьшая единица квантовой информации.
«Исследователи уже используют этот вид кубитов для создания действительно удивительных сенсоров. Но мы нашли лучший способ получить как можно больше информации из этих кубитов», - сказал профессор Аашиш Клерк, старший автор работы.
Кубиты освещают путь
Идеальный алмаз состоит из атомов углерода, расположенных в повторяющейся решетке. Замените один из этих атомов чем-то другим — например, атомом азота — и то, как новый, отдельный атом расположится в середине твердой структуры алмаза, придаст ему уникальные квантовые свойства. Незначительные изменения в окружающей среде, от температуры до электричества, меняют способ, которым эти "дефекты твердого тела" вращаются и сохраняют энергию.
Исследователи обнаружили, что они могут направить свет на один из таких кубитов, а затем измерить, как свет отклоняется и испускается, чтобы прозондировать его квантовое состояние. Таким образом, они могут использовать его как квантовый датчик.
Однако анализ информации, полученной из дефекта твердого тела, является сложной задачей, особенно когда много таких кубитов встроено в один датчик. Поскольку каждый кубит высвобождает энергию, эта энергия изменяет поведение соседних кубитов.
«В конечном итоге все кубиты коррелируют друг с другом забавным образом, который не имеет классического смысла. То, что делает один из них, тесно связано с тем, что делают другие», - сказал Клерк.
Более того, когда свет светит на кубит достаточно долго, он возвращается к своему основному состоянию, теряя любую информацию, которая была в нем закодирована.
Усиление информации
Исследователи поставили себе основным вопросом физику того, как кубиты взаимодействуют друг с другом. В процессе этого исследования они открыли новый трюк для извлечения информации из твердотельных дефектных кубитов.
Когда сеть твердотельных дефектов высвобождает энергию в виде всплеска фотонов, исследователи обычно не обращают внимания на точную природу кубитов, которые высвобождают эту энергию; вместо этого они сосредотачиваются на данных до и после этого внезапного всплеска.
Однако группа Клерка обнаружила, что в этом высвобождении энергии (которое называется "суперизлучаемый спиновый распад") закодирована еще более деликатная информация о кубитах.
«Предполагалось, что все кубиты начинают возбужденными, а заканчивают расслабленными, и это кажется очень скучным. Но мы обнаружили, что между кубитами есть небольшие различия; они не все полностью возбуждены и не все полностью расслабляются синхронно», - сказал он.
Сосредоточившись на этом долго игнорируемом временном моменте в распаде суперизлучаемого спинового распада, Клерк и его команда показали, как усиливается информация, хранящаяся в дефектах твердого тела.
Будущее квантового зондирования
Для инженеров, которые пытаются разработать квантовые датчики, измеряющие все: от магнитных полей — для лучшей навигации или анализа молекулярных структур — до изменений температуры внутри живых клеток, новый подход предлагает крайне необходимое улучшение чувствительности.
«В прошлом очень шумное окончательное считывание кубитов в этих датчиках действительно ограничивало все. Теперь этот механизм переводит вас на стадию, когда вы не заботитесь об этом шумном финальном считывании; вы сосредоточены на более ценных данных, закодированных до него», - указал Клерк.
Сейчас его команда планирует будущие исследования того, как еще больше повысить чувствительность твердотельных дефектов, различая данные с каждого кубита, а не получая одно считывание со всей переплетенности. Они считают, что их новый подход делает эту цель более достижимой, чем в прошлом.
Источник: пресс-релиз Чикагского университета
Комментарии
Отправить комментарий