Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Techniek zou de gevoeligheid van kwantumsensoren kunnen verbeteren

Een doctoraat Als student elektrotechniek en computerwetenschappen en lid van de Quantum Engineering Group aan het MIT, is Ungar hoofdauteur van een artikel over deze techniek, dat op 7 februari werd gepubliceerd in PRX Quantum .

Tot zijn co-auteurs behoren zijn adviseur en corresponderende auteur, Paola Cappellaro, de Ford Professor of Engineering bij de afdeling Nuclear Science and Engineering en professor in de natuurkunde; evenals Alexandre Cooper, een senior onderzoeker aan het Institute for Quantum Computing van de Universiteit van Waterloo; en Won Kyu Calvin Sun, een voormalig onderzoeker in de groep van Cappellaro en nu postdoc aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.

Diamantdefecten

Om NV-centra te creëren, implanteren wetenschappers stikstof in een diamantmonster.

Maar het introduceren van stikstof in de diamant veroorzaakt andere soorten atomaire defecten in de omgeving. Sommige van deze defecten, waaronder het NV-centrum, kunnen zogenaamde elektronische spins bevatten, die afkomstig zijn van de valentie-elektronen rond de plaats van het defect. Valentie-elektronen zijn die in de buitenste schil van een atoom. De interactie van een defect met een extern magnetisch veld kan worden gebruikt om een ​​qubit te vormen.

Onderzoekers kunnen deze elektronische spins van aangrenzende defecten benutten om meer qubits rond één enkel NV-centrum te creëren. Deze grotere verzameling qubits staat bekend als een kwantumregister. Het hebben van een groter kwantumregister verbetert de prestaties van een kwantumsensor.

Sommige van deze elektronische spindefecten zijn via magnetische interactie met het NV-centrum verbonden. In eerder werk gebruikten onderzoekers deze interactie om nabijgelegen spins te identificeren en te controleren. Deze benadering is echter beperkt omdat het NV-centrum slechts een korte tijd stabiel is, een principe dat coherentie wordt genoemd. Het kan alleen worden gebruikt om de weinige spins te controleren die binnen deze coherentielimiet kunnen worden bereikt.

In dit nieuwe artikel gebruiken de onderzoekers een elektronisch spindefect dat zich in de buurt van het NV-centrum bevindt als een sonde om een ​​extra spin te vinden en te controleren, waardoor een keten van drie qubits ontstaat.

Ze gebruiken een techniek die bekend staat als spin-echo dubbele resonantie (SEDOR), waarbij een reeks microgolfpulsen betrokken is die een NV-centrum ontkoppelen van alle elektronische spins die ermee interageren. Vervolgens passen ze selectief nog een microgolfpuls toe om het NV-centrum te koppelen aan een nabijgelegen spin.

In tegenstelling tot de NV kunnen deze aangrenzende donkere spins niet worden geëxciteerd of gepolariseerd met laserlicht. Deze polarisatie is een noodzakelijke stap om ze met microgolven onder controle te houden.

Zodra de onderzoekers een spin in de eerste laag hebben gevonden en gekarakteriseerd, kunnen ze de polarisatie van de NV via de magnetische interactie overbrengen naar deze spin in de eerste laag door tegelijkertijd microgolven op beide spins toe te passen. Zodra de spin van de eerste laag gepolariseerd is, herhalen ze het SEDOR-proces op de spin van de eerste laag, waarbij ze het gebruiken als een sonde om een ​​spin van de tweede laag te identificeren die ermee interageert.

Een reeks donkere spins besturen

Dit herhaalde SEDOR-proces stelt de onderzoekers in staat een nieuw, duidelijk defect te detecteren en te karakteriseren dat zich buiten de coherentielimiet van het NV-centrum bevindt. Om deze verder weg gelegen spin onder controle te houden, passen ze zorgvuldig een specifieke reeks microgolfpulsen toe waarmee ze de polarisatie van het NV-centrum langs de keten kunnen overbrengen naar deze tweedelaags-spin.

"Dit vormt de basis voor het bouwen van grotere kwantumregisters voor spins van hogere lagen of langere spinketens, en laat ook zien dat we deze nieuwe defecten kunnen vinden die nog niet eerder zijn ontdekt door deze techniek op te schalen", zegt Ungar.

Om een ​​spin te controleren moeten de microgolfpulsen zeer dicht bij de resonantiefrequentie van die spin liggen. Kleine afwijkingen in de experimentele opstelling, als gevolg van temperatuur of trillingen, kunnen de microgolfpulsen veroorzaken.

De onderzoekers konden hun protocol voor het verzenden van nauwkeurige microgolfpulsen optimaliseren, waardoor ze tweedelaags-spins effectief konden identificeren en controleren, zegt Ungar.

"We zijn op zoek naar iets in het onbekende, maar tegelijkertijd is de omgeving misschien niet stabiel, dus je weet niet of wat je vindt alleen maar ruis is. Zodra je veelbelovende dingen begint te zien, kun je al je beste poging in die ene richting. Maar voordat je daar aankomt, is het een sprong in het diepe", zegt Cappellaro.

Hoewel ze effectief een keten met drie spins konden demonstreren, schatten de onderzoekers dat ze hun methode naar een vijfde laag zouden kunnen schalen met behulp van hun huidige protocol, dat toegang zou kunnen bieden tot honderden potentiële qubits. Met verdere optimalisatie kunnen ze mogelijk opschalen naar meer dan tien lagen.

In de toekomst zijn ze van plan hun techniek te blijven verbeteren om andere elektronische spins in de omgeving efficiënt te karakteriseren en te onderzoeken, en verschillende soorten defecten te onderzoeken die kunnen worden gebruikt om qubits te vormen.

Meer informatie: Alexander Ungar et al, Controle van een omgevingsspindefect voorbij de coherentielimiet van een centrale spin, PRX Quantum (2024). DOI:10.1103/PRXQuantum.5.010321

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Etniciteit versus ras versus nationaliteit:een uitlegger
  2. Welke functie vervullen spillen tijdens mitose?
  3. Een 3D-poster maken van de celcyclus
  4. Meer dan 75 procent afname van de totale biomassa van vliegende insecten in 27 jaar
  5. Waarom zou besnijdenis het risico van een man om AIDS op te lopen verminderen?
  6. Hoe eetbare plantencellen te maken
  7. Sociale omgeving is belangrijk voor de grootte van de eendenpenis
  8. Denken dieren rationeel? Onderzoeker suggereert dat rationele besluitvorming geen taal vereist
  9. Hoe goede bacteriën je genen beheersen

Wetenschap