Meestal is een defect in een diamant een slechte zaak. Maar voor ingenieurs maken minuscule blips in de verder stijve kristalstructuur van een diamant de weg vrij voor ultragevoelige kwantumsensoren die de grenzen van de huidige technologieën verleggen. Nu hebben onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) van de Universiteit van Chicago een methode ontwikkeld om deze kwantumsensoren te optimaliseren, die onder andere kleine verstoringen in magnetische of elektrische velden kunnen detecteren.

Hun nieuwe aanpak, gepubliceerd in PRX Quantum , maakt gebruik van de manier waarop defecten in diamanten of halfgeleiders zich gedragen als qubits - de kleinste eenheid van kwantuminformatie.

"Onderzoekers gebruiken dit soort qubit al om echt geweldige sensoren te maken", zegt prof. Aashish Clerk, senior auteur van het nieuwe werk. "We hebben een betere manier bedacht om zoveel mogelijk informatie uit deze qubits te halen."

Qubits verlichten de weg

Een perfecte diamant is samengesteld uit koolstofatomen die in een repetitief rooster zijn gerangschikt. Vervang een van deze atomen door iets anders - zoals een stikstofatoom - en de manier waarop het nieuwe, op zichzelf staande atoom in het midden van de harde structuur van de diamant zit, geeft het unieke kwantumeigenschappen. Minuscule veranderingen in de omgeving, van temperatuur tot elektriciteit, veranderen de manier waarop deze "vastestofdefecten" ronddraaien en energie opslaan.

Onderzoekers ontdekten dat ze een licht op een van deze qubits kunnen schijnen en vervolgens kunnen meten hoe licht wordt afgebogen en vrijgegeven om de kwantumtoestand ervan te onderzoeken. Op deze manier kunnen ze het gebruiken als een kwantumsensor.

Het analyseren van de informatie van een defect in vaste toestand is echter lastig, vooral wanneer veel van dergelijke qubits in één sensor zijn ingebed. Terwijl elke qubit energie vrijgeeft, verandert die energie het gedrag van nabijgelegen qubits.

"De qubits eindigen allemaal met elkaar op een grappige manier die klassiek niet logisch is", zei Clerk. "Wat een qubit doet, is nauw verbonden met wat andere qubits doen."

Bovendien, wanneer licht lang genoeg op een qubit schijnt, wordt deze teruggezet naar de grondtoestand en verliest alle informatie die erin was gecodeerd.

Informatie versterken

Clerk, samen met collega's, waaronder postdoctoraal onderzoeker Martin Koppenhöfer, de eerste auteur van het nieuwe artikel, wilde een fundamentele vraag stellen over de fysica van hoe qubits met elkaar omgaan. Tijdens dit onderzoek ontdekten ze een nieuwe truc om informatie uit solid-state defect-qubits te halen.

Wanneer een netwerk van defecten in vaste toestand energie vrijgeeft in een uitbarsting van fotonen, verdoezelen onderzoekers gewoonlijk de exacte aard van de qubits terwijl deze energie wordt vrijgegeven; ze concentreren zich in plaats daarvan op de gegevens voor en na deze plotselinge uitbarsting.

De groep van Clerk ontdekte echter dat nog gevoeligere informatie over de qubits is gecodeerd in deze vrijgave van energie (die "superradiant spinverval" wordt genoemd).

"Mensen waren ervan uitgegaan dat alle qubits opgewonden beginnen en dat ze allemaal ontspannen eindigen, en het lijkt echt saai," zei hij. "Maar we ontdekten dat er een kleine variatie is tussen qubits; ze zijn niet allemaal helemaal opgewonden en ze ontspannen niet allemaal volledig synchroon."

Door zich te concentreren op dat lang genegeerde tijdstip in het midden van superradiant spinverval, lieten Clerk en zijn team zien hoe de informatie die is opgeslagen in defecten in vaste toestand wordt versterkt.

De toekomst van kwantumdetectie

Voor ingenieurs die kwantumsensoren proberen te ontwikkelen die alles meten, van magnetische velden - voor betere navigatie of analyse van moleculaire structuren - tot temperatuurveranderingen in levende cellen, biedt de nieuwe aanpak een hoognodige verbetering van de gevoeligheid.

"In het verleden heeft de zeer luidruchtige laatste uitlezing van qubits in deze sensoren echt alles beperkt", zei Clerk. "Nu brengt dit mechanisme je in een stadium waarin je niet meer geeft om die luidruchtige laatste uitlezing; je bent gefocust op de waardevollere gegevens die ervoor zijn gecodeerd."

Zijn team plant nu toekomstig onderzoek naar hoe de gevoeligheid van vastestofdefecten nog meer kan worden verbeterd door de gegevens van elke qubit te onderscheiden, in plaats van één uitlezing te krijgen van de hele verstrengeling. Ze denken dat hun nieuwe aanpak dat doel beter haalbaar maakt dan in het verleden. + Verder verkennen

2D-array van elektronen- en kernspinqubits opent nieuwe grens in de kwantumwetenschap