Manipulált kvantumhibák a gyémántban
Különösen fontos kiemelni, hogy a kutatók a gyémánt rácsszerkezetébe precízen elhelyezett, nitrogén-vakanciaközpontoknak nevezett hibákat terveztek. Ezekben a kvantumhibákban egy nitrogénatom helyettesít egy szenet, mellette pedig egy „lyuk” (vakancia) marad. Ez az apró eltérés igazi aduász: lehetővé teszi az úgynevezett spinqubitek kialakítását, amelyek hosszú ideig képesek megőrizni kvantumállapotukat, vagyis információt tárolni.
A kutatócsoport – élén Ania Jayich professzorral és az áttörést elérő Lillian Hughes-szal – most először tudott nemcsak egyedi qubiteket, hanem egész, kétdimenziós kvantumhibákból álló szerkezeteket is szervezni, és egymással kvantumszinten összekapcsolni. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy ezek a kisméretű alkatrészek képesek „összebeszélni”, kollektív módon viselkedni, ami eddig nem látott mérési pontosságot tesz lehetővé.
Kvantumszenzorok fénykora: miért előnyös a gyémánt?
Bár összefonódáson alapuló érzékelést korábbi kísérletekben is bemutattak, az atomgázokra épülő szenzorok jelentős, bonyolult technikát igényeltek, például vákuumkamrákat és lézereket. Ezzel szemben a gyémánt szilárdtestes szerkezete lehetővé teszi, hogy az érzékelő közvetlenül a vizsgálandó anyag vagy akár egyetlen fehérjemolekula közelébe kerüljön – ilyen pontosságot az atomgázos érzékelők fizikailag nem tudnak elérni.
A gyémántalapú kvantumérzékelők elsősorban az elektronikus anyagok, például szupravezetők vagy új mágneses anyagok vizsgálatára alkalmasak, de a biológiai kutatás és az orvosi diagnosztika is profitálhat a nanométeres felbontású, nem károsító mérésekből. Emiatt a gyémánt – mint platform – kiemelkedő jelentőségű a következő generációs érzékelők fejlesztésében.
Kvantumzaj legyőzése: új szabvány a pontosságban
Minden mérés pontosságát végső soron a háttérzaj, például a kvantumprojekciós zaj limitálja. Ha az érzékelést végző qubitek között nincs összefüggés, ezt a zajhatárt nem lehet átlépni. Az új kutatás azonban lehetővé tette, hogy a hibák pozícióját és sűrűségét mérnökileg szabályozzák, így az „összehangolt” spinqubitek között úgynevezett spin-szorítás is létrejöhet, ami csökkenti a bizonytalanságot – tehát pontosabb mérések születnek, mint valaha.
Olyan ez, mintha a vonalzó beosztásait sokkal apróbbra tudnánk „szorítani”, így a legkisebb részletek is pontosan mérhetők. Ezen túlmenően a kutatók sikeresen demonstráltak egy új eljárást is, amely során a jel – anélkül, hogy a zaj rontaná az eredményt – felerősíthetővé vált, vagyis a mérendő objektum „meg is nő” a rendszer számára.
Mérnöki kihívások és a gyakorlati megvalósítás küszöbén
A fő kihívást most az adja, hogy a szenzorok építésekor a qubitek gyémántban elfoglalt helyei még nem határozhatók meg teljes pontossággal; elhelyezkedésük némileg véletlenszerű, bár síkban rendeződnek. A kutatócsoport jelenleg azon dolgozik, hogy képes legyen rácsba szervezni ezeket a spineket, mindegyiket pontosan meghatározott távolságban elhelyezve, ezzel biztosítva az ismételhető és megbízható kvantumelőnyt.
Jayich professzor szerint hamarosan gyakorlati rendszerekben is bemutatják majd a valódi kvantumérzékelési előnyt: vagyis mind a mérési érzékenység, mind a pontos célzás tekintetében tényleges áttörést érnek el az olyan összetett területeken, mint az anyagszerkezet feltérképezése vagy a sejtszintű diagnosztika.
