A busca por criar tecnologias quânticas úteis começa com uma compreensão profunda das estranhas leis que governam o comportamento quântico e como esses princípios podem ser aplicados a materiais reais. Na Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, a física Ania Jayich, Professora de Física e Engenharia Bruker e Co-diretora do NSF Quantum Foundry, lidera um laboratório onde o principal material é o diamante cultivado em laboratório.
Trabalhando na interseção da física quântica e ciência dos materiais, Jayich e sua equipe estudam como imperfeições atômicas em diamante, conhecidas como qubits de spin, podem ser engenheiradas para avançar a sensoriamento quântico. Entre os notáveis pesquisadores do grupo, Lillian Hughes, que recentemente completou seu doutorado e está indo para o Caltech para trabalho pós-doutoral, fez uma grande descoberta neste campo.
Através de três artigos coautoriais – um na PRX em março e dois na Nature em outubro – Hughes demonstrou pela primeira vez que não apenas qubits individuais, mas ensemble bidimensionais de muitos defeitos quânticos podem ser organizados e emaranhados dentro do diamante. Essa realização marca um marco em direção 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 forma que estejam densamente empacotados e confinados em profundidade em uma camada 2D,” explicou Hughes. “E porque podemos projetar como os defeitos estão orientados, podemos engenheirá-los para apresentar interações dipolares não nulas.” Este feito formou a base do estudo na PRX, “Um ensemble 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 uma vacância adjacente onde um átomo de carbono está ausente. “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 ressonância magnética por imagem (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 utilizaram todos spins individuais ou ensembles de spins não interagentes,” disse Jayich. “O que é novo aqui é que, porque Lillian conseguiu cultivar e engenheirar esses ensembles de spins densos muito interagentes, podemos realmente aproveitar o comportamento coletivo, o que fornece uma vantagem quântica extra, permitindo-nos usar os fenômenos do emaranhamento quântico para obter melhor relação sinal-ruído, proporcionando maior sensibilidade e possibilitando medições melhores.”
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 em fase gasosa. “Idealmente, para muitas aplicações-alvo, seu sensor deve ser fácil de integrar e aproximar do sistema em estudo,” disse Jayich. “É muito mais fácil fazer isso com um material de estado sólido, como o diamante, do que com sensores atômicos em fase gasosa, nos quais, por exemplo, o GPS se baseia. Além disso, sensores atômicos requerem um hardware auxiliar significativo para confinar e controlar, como câmaras de vácuo e numerosas lasers, dificultando a aproximação de um sensor atômico a uma escala de nanômetros, por exemplo, a uma proteína, proibindo a imagem de alta resolução espacial.”
A equipe de Jayich está especialmente focada no uso de sensores quânticos baseados em diamante para estudar propriedades eletrônicas de materiais. “Você pode colocar alvos materiais em proximidade nanométrica com uma superfície de diamante, aproximando-os realmente 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 esta 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] se baseia na detecção de campos magnéticos muito pequenos provenientes dos átomos constituintes em, por exemplo, sistemas biológicos. Essa abordagem também é útil se você quiser entender novos materiais, sejam eles materiais eletrônicos, materiais supercondutores ou materiais magnéticos que poderiam ser úteis para uma variedade de aplicações.”
Superando o Ruído Quântico
Cada medida tem um limite imposto pelo ruído, que restringe a precisão. Uma forma fundamental desse ruído, chamada de ruído de projeção quântica, define o que é conhecido como o limite quântico padrão – o ponto além do qual sensores não emaranhados não podem melhorar. Se os cientistas conseguirem engenheirar interações específicas entre sensores, poderão superar esse limite. Uma maneira de fazer isso é através do espremimento de spins, que correlaciona estados quânticos para reduzir a incerteza.
“É como se você estivesse tentando medir algo com uma régua que tem graduações a um centímetro de distância; essas graduações a um centímetro de distância 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 que um centímetro,” disse Jayich. “Ao espremê-la – silenciando o ruído – você efetivamente usa interações mecânicas quânticas para ‘espremer’ essa régua, criando graduações mais finas e permitindo que você meça coisas menores de forma mais precisa.”
Amplificando Sinais Quânticos
O segundo artigo da equipe na Nature detalha outra estratégia para melhorar a medição: a amplificação de sinais. Essa abordagem fortalece o sinal sem aumentar o ruído. Na analogia da régua, amplificar o sinal faz com que a ameba pareça maior, de modo que até marcas de medição grosseiras possam capturá-la com precisão.
Olhando para o futuro, Jayich está confiante sobre a aplicação desses princípios em sistemas do mundo real. “Não acho que os desafios técnicos previstos impedirão a demonstração de uma vantagem quântica em um experimento de sensoriamento útil em um futuro próximo,” disse ela. “Trata-se principalmente de tornar a amplificação do sinal mais forte ou aumentar a quantidade de espremimento. Uma maneira de fazer isso é controlar a posição dos spins no plano 2Dxy, formando uma matriz regular.”
“Há um desafio de materiais aqui, uma vez que, porque não podemos ditar exatamente onde os spins serão incorporados, eles se incorporam de forma 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 em sensoriamento.”