Diamantes cuánticos: la nueva frontera en sensores de alta precisión

La búsqueda de tecnologías cuánticas útiles comenzó con un profundo entendimiento de las extrañas leyes que rigen el comportamiento cuántico y cómo esos principios pueden aplicarse a materiales reales. En la Universidad de California, Santa Bárbara, la física Ania Jayich, titular de la Cátedra Bruker en Ciencia e Ingeniería y co-directora del NSF Quantum Foundry, lideró un laboratorio donde el material clave es el diamante cultivado en laboratorio.

Trabajando en la intersección de la física cuántica y la ciencia de materiales, Jayich y su equipo estudiaron cómo las imperfecciones a escala atómica en el diamante, conocidas como qubits de espín, pueden ser diseñadas para un avance en la detección cuántica. Entre los investigadores destacados del grupo se encuentra Lillian Hughes, quien recientemente completó su doctorado y se dirige a Caltech para realizar trabajos postdoctorales, y que logró un avance significativo en este campo.

A través de tres artículos co-autorizados, uno en PRX en marzo y dos en Nature en octubre, Hughes demostró por primera vez que no solo qubits individuales, sino también conjuntos bidimensionales de muchos defectos cuánticos pueden ser organizados y entrelazados dentro del diamante. Este logro marcó un hito hacia sistemas de estado sólido que ofrecen una ventaja cuántica medible en la detección, abriendo un nuevo camino para la próxima generación de dispositivos cuánticos.

Ingeniería de Defectos Cuánticos en Diamante

"Podemos crear una configuración de espines de centros de vacío de nitrógeno (NV) en los diamantes con control sobre su densidad y dimensionalidad, de modo que estén densamente empaquetados y confinados en profundidad en una capa 2D", explicó Hughes. "Y dado que podemos diseñar cómo están orientados los defectos, podemos hacer que exhiban interacciones dipolares no nulas." Este logro formó la base del estudio en PRX, titulado "Un conjunto de espines dipolares fuertemente interactuantes en diamante orientado (111)".

Un centro NV consiste en un átomo de nitrógeno que reemplaza a un átomo de carbono y una vacante adyacente donde falta un átomo de carbono. "El defecto del centro NV tiene varias propiedades, una de las cuales es un grado de libertad llamado espín, un concepto fundamentalmente mecánico cuántico. En el caso del centro NV, el espín tiene una larga vida", dijo Jayich. "Estos estados de espín de larga duración hacen que los centros NV sean útiles para la detección cuántica. El espín se acopla al campo magnético que estamos tratando de detectar."

De la RMN a la Detección Cuántica

El concepto de utilizar el espín como sensor data del desarrollo de la imagen por resonancia magnética (RMN) en los años 70. Jayich explicó que la RMN funciona controlando la alineación y los estados de energía de los protones y detectando las señales que emiten al relajarse, formando una imagen de las estructuras internas.

"Los experimentos de detección cuántica previos realizados en un sistema de estado sólido han utilizado espines individuales o conjuntos de espines no interactuantes", dijo Jayich. "Lo nuevo aquí es que, gracias a que Lillian pudo cultivar y diseñar estos conjuntos de espines densamente interactuantes, podemos aprovechar el comportamiento colectivo, lo que proporciona una ventaja cuántica adicional, permitiéndonos utilizar el fenómeno del entrelazamiento cuántico para obtener mejores relaciones señal-ruido, proporcionando mayor sensibilidad y permitiendo una mejor medición posible."

Por qué el Diamante es Importante para los Sensores Cuánticos

El tipo de detección asistida por entrelazamiento demostrado por Hughes se había mostrado antes, pero solo en sistemas atómicos en fase gaseosa. "Idealmente, para muchas aplicaciones objetivo, su sensor debería ser fácil de integrar y acercar al sistema en estudio", dijo Jayich. "Es mucho más fácil hacer eso con un material de estado sólido, como el diamante, que con sensores atómicos en fase gaseosa, sobre los cuales, por ejemplo, se basa el GPS. Además, los sensores atómicos requieren hardware auxiliar significativo para confinar y controlar, como cámaras de vacío y numerosos láseres, lo que dificulta acercar un sensor atómico a una escala de nanómetros a una proteína, por ejemplo, prohibiendo imágenes de alta resolución espacial."

El equipo de Jayich se centra especialmente en utilizar sensores cuánticos basados en diamante para estudiar propiedades electrónicas de materiales. "Se pueden colocar objetivos materiales en proximidad a escala nanométrica de la superficie del diamante, acercándolos realmente a los centros NV sub-superficiales", explicó Jayich. "Por lo tanto, es muy fácil integrar este tipo de sensor cuántico de diamante con una variedad de sistemas objetivo interesantes. Esa es una gran razón por la que esta plataforma es tan emocionante."

Sondeando Materiales y Biología con Precisión Cuántica

"Un sensor magnético de estado sólido de este tipo podría ser muy útil para sondear, por ejemplo, sistemas biológicos", dijo Jayich. "La resonancia magnética nuclear (RMN) se basa en detectar campos magnéticos muy pequeños provenientes de los átomos constitutivos en, por ejemplo, sistemas biológicos. Tal enfoque también es útil si se desea comprender nuevos materiales, ya sean materiales electrónicos, superconductores o magnéticos que podrían ser útiles para una variedad de aplicaciones."

Superando el Ruido Cuántico

Cada medición tiene un límite establecido por el ruido, que restringe la precisión. Una forma fundamental de este ruido, llamada ruido de proyección cuántica, establece lo que se conoce como el límite cuántico estándar, el punto más allá del cual los sensores no entrelazados no pueden mejorar. Si los científicos pueden diseñar interacciones específicas entre sensores, pueden superar este límite. Una forma de hacerlo es mediante el apretón de espín, que correlaciona estados cuánticos para reducir la incertidumbre.

"Es como si estuvieras tratando de medir algo con una regla que tiene graduaciones a un centímetro de distancia; esas graduaciones espaciadas a un centímetro son efectivamente la amplitud del ruido en tu medición. No usarías tal regla para medir el tamaño de una ameba, que es mucho más pequeña que un centímetro", dijo Jayich. "Al apretar, silenciando el ruido, efectivamente utilizas interacciones mecánicas cuánticas para 'apretar' esa regla, creando graduaciones más finas y permitiéndote medir cosas más pequeñas con mayor precisión."

Amplificando Señales Cuánticas

El segundo artículo del equipo en Nature detalla otra estrategia para mejorar la medición: la amplificación de señales. Este enfoque fortalece la señal sin aumentar el ruido. En la analogía de la regla, amplificar la señal hace que la ameba parezca más grande para que incluso las marcas de medición gruesas puedan capturarla con precisión.

Mirando hacia el futuro, Jayich se mostró optimista sobre la aplicación de estos principios en sistemas del mundo real. "No creo que los desafíos técnicos previstos impidan demostrar una ventaja cuántica en un experimento de detección útil en un futuro cercano", dijo. "Se trata principalmente de hacer que la amplificación de la señal sea más fuerte o aumentar la cantidad de apretón. Una forma de hacerlo es controlar la posición de los espines en el plano 2Dxy, formando una matriz regular."

"Hay un desafío de materiales aquí, en que, dado que no podemos dictar exactamente dónde se incorporarán los espines, se incorporan de manera algo aleatoria dentro de un plano", agregó Jayich. "Eso es algo en lo que estamos trabajando ahora, para que eventualmente podamos tener una cuadrícula de estos espines, cada uno colocado a una distancia específica entre sí. Eso abordaría un desafío pendiente para realizar una ventaja cuántica práctica en la detección."