Espins emaranhados oferecem vantagem quântica aos diamantes

Trabalhando na Interseção da Física Quântica e da Ciência dos Materiais

Jayich e sua equipe estudam como imperfeições atômicas em diamantes, conhecidas como qubits de spin, podem ser engenheiradas para avançar em sensoriamento quântico. Entre os destaques do grupo está Lillian Hughes, que recentemente completou seu doutorado e está indo para o Caltech para pesquisa de pós-doutorado, fazendo uma grande descoberta nesse campo.

Através de três artigos coautores — um na PRX em março e dois na Nature em outubro — Hughes demonstrou pela primeira vez que não apenas qubits individuais, mas também conjuntos bidimensionais de muitos defeitos quânticos podem ser organizados e entrelaçados dentro do diamante. Essa conquista marca um marco rumo a sistemas de estado sólido que oferecem uma vantagem quântica mensurável em sensoriamento, abrindo um novo caminho para a próxima geração de dispositivos quânticos.

Engenharia de Defeitos Quânticos em Diamante

“Podemos criar uma configuração de spins de centros de vacância de nitrogênio (NV) nos diamantes com controle sobre sua densidade e dimensionalidade, de modo que fiquem densamente embalados e confinados em uma camada 2D,” explicou Hughes. “E porque podemos projetar como os defeitos estão orientados, podemos engenheirá-los para exibir interações dipolares não nulas.” Essa realização formou a base do estudo da PRX, “Um conjunto de spins dipolares, fortemente interagentes e bidimensionais em diamante orientado para (111).”

Um centro NV consiste em um átomo de nitrogênio substituindo um átomo de carbono e um vazio adjacente onde um átomo de carbono está faltando. “O defeito do centro NV tem algumas propriedades, uma das quais é um grau de liberdade chamado spin — um conceito fundamentalmente mecânico quântico. No caso do centro NV, o spin é muito duradouro,” disse Jayich. “Esses estados de spin de longa duração tornam os centros NV úteis para sensoriamento quântico. O spin se acopla ao campo magnético que estamos tentando detectar.”

De MRI a Sensoriamento Quântico

O conceito de usar spin como sensor remonta ao desenvolvimento da imagem por ressonância magnética (MRI) na década de 1970. Jayich explicou que a MRI funciona controlando o alinhamento e os estados de energia dos prótons e detectando os sinais que eles emitem à medida que relaxam, formando uma imagem das estruturas internas.

“Experimentos anteriores de sensoriamento quântico realizados em um sistema de estado sólido fizeram uso de spins únicos ou conjuntos de spins não interativos,” disse Jayich. “O que é novo aqui é que, porque Lillian conseguiu cultivar e engenheirar esses conjuntos de spins densos e fortemente interagentes, podemos realmente aproveitar o comportamento coletivo, que fornece uma vantagem quântica extra, permitindo-nos usar os fenômenos de emaranhamento quântico para obter melhor relação sinal-ruído, proporcionando maior sensibilidade e permitindo uma medição melhor.”

Por Que o Diamante é Importante para Sensores Quânticos

O tipo de sensoriamento assistido por emaranhamento demonstrado por Hughes já foi mostrado antes, mas apenas em sistemas atômicos de fase gasosa. “Idealmente, para muitas aplicações-alvo, seu sensor deve ser fácil de integrar e trazer perto do sistema sob estudo,” disse Jayich. “É muito mais fácil fazer isso com um material de estado sólido, como o diamante, do que com sensores atômicos de fase gasosa nos quais, por exemplo, o GPS é baseado. Além disso, sensores atômicos requerem um hardware auxiliar significativo para confinar e controlar, como câmaras de vácuo e vários lasers, dificultando trazer um sensor atômico para uma proximidade em escala nanométrica, por exemplo, de uma proteína, proibindo imagens de alta resolução espacial.”

A equipe de Jayich está especialmente focada em usar sensores quânticos baseados em diamante para estudar propriedades eletrônicas de materiais. “Você pode colocar alvos materiais em proximidade de escala nanométrica da superfície do diamante, trazendo-os realmente perto dos centros NV sub-superficiais,” explicou Jayich. “Portanto, é muito fácil integrar esse tipo de sensor quântico de diamante com uma variedade de sistemas-alvo interessantes. Essa é uma grande razão pela qual essa plataforma é tão empolgante.”

Investigando Materiais e Biologia com Precisão Quântica

“Um sensor magnético de estado sólido desse tipo poderia ser muito útil para investigar, por exemplo, sistemas biológicos,” disse Jayich. “A ressonância magnética nuclear [NMR] é baseada na detecção de campos magnéticos muito pequenos provenientes dos átomos constituintes em, por exemplo, sistemas biológicos. Tal abordagem também é útil se você quiser entender novos materiais, sejam materiais eletrônicos, materiais supercondutores ou materiais magnéticos que poderiam ser úteis para uma variedade de aplicações.”

Superando o Ruído Quântico

Cada medição tem um limite imposto pelo ruído, que restringe a precisão. Uma forma fundamental desse ruído, chamada ruído de projeção quântica, estabelece o que é conhecido como limite quântico padrão — o ponto além do qual sensores não emaranhados não podem melhorar. Se os cientistas puderem engenheirar interações específicas entre sensores, podem ultrapassar essa fronteira. Uma maneira de fazer isso é através do espremimento de spin, que correlaciona estados quânticos para reduzir a incerteza.

“É como se você estivesse tentando medir algo com uma régua com graduações a um centímetro de distância; essas graduações espaçadas em centímetros são efetivamente a amplitude do ruído em sua medição. Você não usaria tal régua para medir o tamanho de uma ameba, que é muito menor do que um centímetro,” disse Jayich. “Ao espremer — silenciando o ruído — você efetivamente usa interações mecânicas quânticas para ‘espremê-la’ de forma que crie graduações mais finas e permita medir coisas menores com mais precisão.”

Amplificando Sinais Quânticos

O segundo artigo da equipe na Nature detalha outra estratégia para melhorar a medição: a amplificação de sinal. Essa abordagem fortalece o sinal sem aumentar o ruído. Na analogia da régua, amplificar o sinal faz a ameba parecer maior para que até mesmo as marcações de medição grossas possam capturá-la com precisão.

Olhando para o futuro, Jayich está confiante em aplicar esses princípios em sistemas do mundo real. “Não acredito que os desafios técnicos previstos impeçam a demonstração de uma vantagem quântica em um experimento de sensoriamento útil no futuro próximo,” disse ela. “É principalmente sobre tornar a amplificação do sinal mais forte ou aumentar a quantidade de espremer. Uma maneira de fazer isso é controlar a posição dos spins no plano 2Dxy, formando uma grade regular.”

“Há um desafio de materiais aqui, na medida em que, devido ao fato de não conseguirmos ditar exatamente onde os spins incorporarão, eles se incorporam de maneira um tanto aleatória dentro de um plano,” acrescentou Jayich. “Isso é algo em que estamos trabalhando agora, para que eventualmente possamos ter uma grade desses spins, cada um colocado a uma distância específica um do outro. Isso abordaria um desafio pendente para realizar uma vantagem quântica prática na sensoriamento.”