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| Este sensor cuántico del Grupo de Ingeniería Cuántica del MIT se basa en centros NV en diamante. Fue diseñado y construido por el equipo de investigación. Crédito: Instituto Tecnológico de Massachusetts |
Los defectos de espín en estado sólido, especialmente los espines nucleares con tiempos de coherencia potencialmente largos, son candidatos convincentes para memorias y sensores cuánticos. Sin embargo, sus prestaciones actuales siguen estando limitadas por el desfase debido a las variaciones en sus interacciones cuadrupolares e hiperfinas intrínsecas.
Los científicos del MIT propusieron un eco desequilibrado para superar este reto. El equipo desarrolló un protocolo para prolongar la vida de la coherencia cuántica. Su método consigue multiplicar por 20 los tiempos de coherencia de los qubits de espín nuclear.
El equipo creó una estrategia que denominó "eco desequilibrado" para aumentar el tiempo de coherencia del sistema, del mismo modo que los auriculares con cancelación de ruido utilizan determinadas frecuencias sonoras para filtrar el ruido de fondo.
El equipo fue capaz de ampliar los tiempos de coherencia de 150 microsegundos a 3 milisegundos comprendiendo cómo un tipo de ruido -en este caso, el calor- afectaba a las interacciones cuadrupolares nucleares del sistema.
Guoqing Wang, doctora en Filosofía de 23 años y estudiante de doctorado en el laboratorio de Cappellaro, que ahora realiza un postdoctorado en el MIT, dijo: "En teoría, podríamos incluso mejorarlo a cientos o incluso miles de veces más. Pero en la práctica, puede haber otras fuentes de ruido en el sistema, y hemos demostrado que si podemos describirlas, podemos cancelarlas."
Dmitry Budker, jefe de la Sección Materia-Antimateria del Instituto Helmholtz de Maguncia, profesor de la Universidad Johannes Gutenberg y de la Universidad de California en Berkeley, afirmó que "el trabajo tendrá un "impacto significativo" en futuros trabajos sobre dispositivos cuánticos".
"En este trabajo demuestran una forma práctica de estirar el tiempo de coherencia nuclear en un orden de magnitud con una ingeniosa técnica de espín-eco que debería ser relativamente sencilla de implementar en aplicaciones".
Los experimentos y cálculos analizados en el artículo se refieren a un conjunto considerable de centros de vacantes de nitrógeno, o centros NV, que son impurezas a escala atómica en el diamante. Cada centro tiene un electrón localizado cercano y un estado de espín cuántico único para el núcleo de nitrógeno-14.
La dificultad consistía en averiguar cómo conseguir que grandes conjuntos de centros NV cooperaran entre sí. Sin embargo, hace tiempo que se reconoce que son una opción ideal para sensores cuánticos, giroscopios, memorias y mucho más.
afirma Wang. "Lo que vemos es que cuando preparas todos estos relojes, al principio están sincronizados entre sí, pero al cabo de un tiempo pierden completamente su fase. A esto lo llamamos su tiempo de desfase".
"Queremos utilizar mil millones de relojes pero conseguir el mismo tiempo de desfase que con un solo reloj. Eso permite obtener mejoras a partir de la medición de múltiples relojes, pero al mismo tiempo se preserva la coherencia de fase, por lo que no se pierde la información cuántica tan rápido."
La teoría subyacente del desfase inducido por la heterogeneidad de la temperatura, que se relaciona con las propiedades del material, describió un enfoque teórico para calcular cómo la temperatura y la deformación afectan a distintos tipos de interacciones, que pueden conducir a la decoherencia.
El núcleo de nitrógeno se comporta como un dipolo nuclear incompleto, o lo que es lo mismo, como un imán subatómico, que provoca la interacción inicial, conocida como interacción cuadrupolar nuclear. Wang sostiene que el dipolo interactúa esencialmente consigo mismo, está perturbado porque el núcleo no es exactamente esférico.
La interacción entre los dipolos magnéticos del electrón y el núcleo adyacentes provoca una interacción hiperfina. Estas interacciones son espaciotemporalmente variables, y puede producirse dephasing cuando se considera un grupo de qubits de espín nuclear porque "los relojes en distintas ubicaciones pueden obtener fases diferentes".
Los científicos teorizaron que caracterizar cómo esas interacciones se veían afectadas por el calor les permitiría compensar el efecto y ampliar los tiempos de coherencia del sistema.
Según Wang, "la temperatura o la tensión afectan a ambas interacciones. La teoría que describimos predecía cómo la temperatura o la deformación afectarían al cuadrupolo y al hiperfino. Entonces, el eco desequilibrado que desarrollamos en este trabajo esencialmente anula la deriva espectral debida a una interacción física utilizando otra interacción física diferente, utilizando su correlación inducida por el mismo ruido".
"La novedad clave de este trabajo, en comparación con las técnicas de eco de espín existentes que se utilizan habitualmente en la comunidad cuántica, es utilizar diferentes ruidos de interacción para anularse mutuamente, de forma que los ruidos a anular pueden ser altamente selectivos. Lo emocionante, sin embargo, es que podemos utilizar este sistema de otras maneras".
"Así, podríamos utilizarlo para detectar la temperatura o la heterogeneidad espaciotemporal del campo de deformación. Esto podría ser bueno para los sistemas biológicos, donde incluso un cambio de temperatura muy diminuto podría tener efectos significativos".
Esta tecnología puede controlar los campos de deformación, lo que la hace útil para evaluar de forma no destructiva el estado estructural de los edificios. También puede utilizarse para comprobar las corrientes eléctricas en vehículos eléctricos. Si un puente tuviera estos sensores, por ejemplo, podríamos determinar su nivel de tensión. En realidad, los sensores de diamante ya se emplean para evaluar la distribución de la temperatura en la superficie de los materiales debido a su potencial como sensor susceptible y de alta resolución espacial.
Li afirma: "Otra aplicación podría ser en biología. Los investigadores han demostrado previamente que el uso de sensores cuánticos para cartografiar la actividad neuronal a partir de campos electromagnéticos podría ofrecer mejoras potenciales, permitiendo una mejor comprensión de algunos procesos biológicos."
"El sistema descrito en el artículo también podría representar un importante salto adelante para la memoria cuántica".
Aunque actualmente existen varios métodos para aumentar el tiempo de coherencia de los qubits para su uso en la memoria cuántica, esos procedimientos son difíciles y con frecuencia requieren "voltear" los centros NV o invertir su espín. Aunque se invierte la deriva espectral que causa la decoherencia, ese proceso también provoca la pérdida de cualquier información codificada en el sistema.
El nuevo sistema supone un avance en la computación cuántica, ya que evita la pérdida de datos y amplía el periodo de coherencia de los qubits al eliminar la necesidad de invertir el espín.
Los científicos seguirán estudiando nuevas fuentes de ruido en el sistema, como la interferencia fluctuante del campo eléctrico, para encontrar formas de mitigarlas y ampliar el tiempo de coherencia.
Li afirmó: "Ahora que hemos conseguido una mejora 20 veces mayor, estamos estudiando cómo podemos mejorarla aún más porque, intrínsecamente, este eco desequilibrado puede conseguir una mejora casi infinita".
"También estamos estudiando cómo podemos aplicar este sistema a la creación de un giroscopio cuántico porque el tiempo de coherencia es sólo un parámetro clave para construir un giroscopio, y hay otros parámetros que estamos tratando de optimizar para (comprender) la sensibilidad que podemos alcanzar en comparación con las técnicas anteriores."
Fuentes, créditos y referencias:
Hao Tang et al, First-Principles Calculation of the Temperature-Dependent Transition Energies in Spin Defects, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c00314