Поиск практических квантовых технологий начинается с глубокого понимания необычных законов, управляющих квантовым поведением, и того, как эти принципы можно применить к реальным материалам. В Университете Калифорнии в Санта-Барбаре физик Аня Джайич, обладательница престижных научных должностей и содиректор NSF Quantum Foundry, руководит лабораторией, где ключевым материалом является выращенный в лаборатории алмаз.
Работая на стыке квантовой физики и материаловедения, Аня Джайич и её команда изучают, как точные атомные дефекты в алмазе – известные как спиновые кубиты – могут быть спроектированы для передового квантового зондирования. Среди выдающихся исследователей группы – Лилиан Хьюз, которая недавно завершила свою докторскую диссертацию и отправляется в Калтех для постдокторской работы. Ей удалось совершить значительный прорыв в этой области.
В трёх своих совместных научных работах – одна опубликована в PRX в марте и две в Nature в октябре – Лилиан Хьюз впервые продемонстрировала, что не только отдельные кубиты, но и двумерные ансамбли множества квантовых дефектов могут быть организованы и запутаны внутри алмаза. Это достижение знаменует собой важную веху на пути к созданию твердотельных систем, обеспечивающих измеримое квантовое преимущество в зондировании, открывая новый путь для следующего поколения квантовых устройств.
«Мы можем создавать конфигурации спинов азотно-вакансионных центров (NV-центров) в алмазах, контролируя их плотность и размерность таким образом, чтобы они были плотно упакованы и ограничены по глубине в двумерном слое», – объясняет Лилиан Хьюз. «И поскольку мы можем проектировать ориентацию дефектов, мы можем заставить их проявлять ненулевые дипольные взаимодействия». Это достижение легло в основу исследования, опубликованного в PRX, под названием A strongly interacting, two-dimensional, dipolar spin ensemble in (111)-oriented diamond.
NV-центр представляет собой атом азота, замещающий атом углерода, и соседнюю вакансию, где отсутствует атом углерода. «Дефект NV-центра обладает несколькими свойствами, одно из которых – степень свободы, называемая спином, – это фундаментальное квантово-механическое понятие. В случае NV-центра спин обладает очень долгим временем жизни», – говорит Аня Джайич. «Эти долгоживущие спиновые состояния делают NV-центры полезными для квантового зондирования. Спин связывается с магнитным полем, которое мы пытаемся измерить».
Концепция использования спина в качестве датчика восходит к разработке магнитно-резонансной томографии (МРТ) в 1970-х годах. Аня Джайич поясняет, что МРТ работает путём контроля выравнивания и энергетических состояний протонов и обнаружения сигналов, которые они испускают при релаксации, формируя изображение внутренних структур.
«Предыдущие эксперименты по квантовому зондированию, проводимые в твердотельных системах, использовали либо одиночные спины, либо невзаимодействующие спиновые ансамбли», – отмечает Аня Джайич. «Что нового здесь, так это то, что Лилиан смогла вырастить и сконструировать эти очень сильно взаимодействующие плотные спиновые ансамбли, и теперь мы можем использовать их коллективное поведение. Это обеспечивает дополнительное квантовое преимущество, позволяя применять явление квантовой запутанности для улучшения соотношения сигнал/шум, что повышает чувствительность и позволяет проводить более точные измерения».
Этот тип зондирования с использованием запутанности ранее демонстрировался, но только в газофазных атомных системах. «В идеале, для многих целевых применений ваш датчик должен быть легко интегрируемым и близко подводимым к исследуемой системе», – рассказывает Аня Джайич. «Гораздо проще сделать это с твердотельным материалом, таким как алмаз, чем с газофазными атомными датчиками, на которых, например, базируется GPS. Более того, атомные датчики требуют значительного вспомогательного оборудования для удержания и контроля, включая вакуумные камеры и многочисленные лазеры, что затрудняет подведение атомного датчика на нанометровое расстояние, например, к белку, препятствуя получению изображений с высоким пространственным разрешением».
Команда Ани Джайич особенно сфокусирована на использовании квантовых датчиков на основе алмаза для изучения электронных свойств материалов. «Вы можете помещать исследуемые материалы в нанометровое расстояние от поверхности алмаза, таким образом приближая их очень близко к подповерхностным NV-центрам», – объясняет Аня Джайич. «Поэтому очень легко интегрировать этот тип алмазных квантовых датчиков с различными интересными целевыми системами. Это одна из главных причин, почему эта платформа так привлекательна».
«Твердотельный магнитный датчик такого рода может быть очень полезен, например, для исследования биологических систем», – говорит Аня Джайич. «Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) основан на обнаружении очень слабых магнитных полей, исходящих от атомов, составляющих, например, биологические системы. Такой подход также полезен, если вы хотите разобраться в новых материалах, будь то электронные, сверхпроводящие или магнитные материалы, которые могут быть применены в различных областях».
Каждое измерение имеет ограничение, устанавливаемое шумом, который влияет на точность. Фундаментальная форма этого шума, называемая квантовым шумом проекции, устанавливает так называемый стандартный квантовый предел – точку, за которой незапутанные датчики не могут улучшить свои показатели. Если учёные могут спроектировать специфические взаимодействия между датчиками, они способны преодолеть этот барьер. Один из способов сделать это – с помощью «сжатия спинов» (spin squeezing), которое коррелирует квантовые состояния для уменьшения неопределённости.
«Это всё равно что пытаться измерить что-то с помощью метровой линейки, деления которой расположены на расстоянии сантиметра друг от друга; эти деления, расположенные через сантиметр, по сути, представляют собой амплитуду шума в вашем измерении. Вы бы не стали использовать такую линейку для измерения размера амёбы, которая намного меньше сантиметра», – поясняет Аня Джайич. «Сжимая» – то есть подавляя шум – мы фактически используем квантово-механические взаимодействия, чтобы «сжать» эту метровую линейку, эффективно создавая более тонкие деления и позволяя измерять более мелкие объекты с большей точностью».
Вторая статья команды, опубликованная в Nature, подробно описывает другую стратегию улучшения измерений – усиление сигнала. Этот подход увеличивает силу сигнала, не увеличивая при этом шум. В аналогии с метровой линейкой усиление сигнала делает амёбу визуально больше, так что даже грубые деления могут её точно зафиксировать.
Аня Джайич уверена в применении этих принципов в реальных системах. «Я не думаю, что предвидимые технические трудности помешают демонстрации квантового преимущества в полезном эксперименте по зондированию в ближайшем будущем», – говорит она. «В основном речь идёт об усилении сигнала или увеличении степени сжатия. Один из способов сделать это – контролировать положение спинов в двумерной плоскости XY, формируя регулярную матрицу».
«Здесь есть материаловедческая проблема, заключающаяся в том, что, поскольку мы не можем точно указать, где именно будут располагаться спины, они встраиваются в плоскость несколько случайным образом», – добавляет Аня Джайич. «Это то, над чем мы сейчас работаем, чтобы в конечном итоге иметь сетку из этих спинов, каждый из которых расположен на определённом расстоянии друг от друга. Это решило бы одну из ключевых задач для реализации практического квантового преимущества в зондировании».
