Щодо створення кращих квантових сенсорів
Зазвичай, дефект в алмазі — це погано. Але для інженерів мініатюрні дефекти в жорсткій кристалічній структурі алмазу прокладають шлях до надчутливих квантових сенсорів, які розширюють межі сучасних технологій. І тепер дослідники розробили метод оптимізації цих квантових сенсорів, які, серед іншого, можуть виявляти крихітні збурення в магнітних або електричних полях.
Їх новий підхід використовує переваги того, як дефекти в алмазах або напівпровідниках поводяться як кубіти - найменша одиниця квантової інформації.
“Дослідники вже використовують цей вид кубітів для створення дійсно дивовижних сенсорів. Та ми знайшли кращий спосіб отримати якомога більше інформації з цих кубітів”, - сказав професор Аашиш Клерк, старший автор роботи.
Кубіти освітлюють шлях
Ідеальний алмаз складається з атомів вуглецю, розташованих у повторюваній решітці. Замініть один з цих атомів чимось іншим — наприклад, атомом азоту — і те, як новий, окремий атом розташується в середині твердої структури алмазу, надасть йому унікальних квантових властивостей. Незначні зміни в навколишньому середовищі, від температури до електрики, змінюють спосіб, у який ці "дефекти твердого тіла" обертаються і зберігають енергію.
Дослідники виявили, що вони можуть спрямувати світло на один з таких кубітів, а потім виміряти, як світло відхиляється і випускається, щоб прозондувати його квантовий стан. Таким чином, вони можуть використовувати його як квантовий датчик.
Проте аналіз інформації, отриманої з дефекту твердого тіла, є складним завданням, особливо коли багато таких кубітів вбудовано в один датчик. Оскільки кожен кубіт вивільняє енергію, ця енергія змінює поведінку сусідніх кубітів.
“В кінцевому підсумку всі кубіти корелюють один з одним у кумедний спосіб, який не має класичного сенсу. Те, що робить один з них, тісно пов'язане з тим, що роблять інші”, - сказав Клерк.
Більше того, коли світло світить на кубіт досить довго, він повертається до свого основного стану, втрачаючи будь-яку інформацію, яка була в ньому закодована.
Посилення інформації
Дослідники поставили собі основним питанням фізику того, як кубіти взаємодіють один з одним. У процесі цього дослідження вони відкрили новий трюк для отримання інформації з твердотільних дефектних кубітів.
Коли мережа твердотільних дефектів вивільняє енергію у вигляді сплеску фотонів, дослідники зазвичай не звертають уваги на точну природу кубітів, які вивільняють цю енергію; замість цього вони зосереджуються на даних до та після цього раптового сплеску.
Однак група Клерка виявила, що в цьому вивільненні енергії (яке називається "супервипромінюваний спіновий розпад") закодована ще більш делікатна інформація про кубіти.
“Припускалося, що всі кубіти починають збудженими, а закінчують розслабленими, і це здається дуже нудним. Але ми виявили, що між кубітами є невеликі відмінності; вони не всі повністю збуджені й не всі повністю розслабляються синхронно”, - сказав він.
Зосередившись на цьому довго ігнорованому часовому моменті в розпаді супервипромінюваного спінового розпаду, Клерк та його команда показали, як посилюється інформація, що зберігається в дефектах твердого тіла.
Майбутнє квантового зондування
Для інженерів, які намагаються розробити квантові датчики, що вимірюють все: від магнітних полів - для кращої навігації або аналізу молекулярних структур - до змін температури всередині живих клітин, новий підхід пропонує вкрай необхідне поліпшення чутливості.
“У минулому дуже галасливе остаточне зчитування кубітів в цих датчиках дійсно обмежувало все. Тепер цей механізм переводить вас на стадію, коли ви не дбаєте про це галасливе фінальне зчитування; ви зосереджені на більш цінних даних, закодованих до нього”, - вказав Клерк.
Зараз його команда планує майбутні дослідження того, як ще більше підвищити чутливість твердотільних дефектів, розрізняючи дані з кожного кубіта, а не отримуючи одне зчитування з усієї переплетеності. Вони вважають, що їх новий підхід робить цю мету більш досяжною, ніж у минулому.
Джерело: пресреліз Чиказького університету
Коментарі
Дописати коментар