Pratik kuantum teknolojilerini gerçekleştirmeye giden yol, kuantum davranışını yöneten temel fiziği ve bu fenomenlerin gerçek malzemelerde nasıl kullanılabileceğini anlamakla başlar.
Bruker Bilim ve Mühendislik Bölümü Başkanı, Kuantum Bilimi Bölümü Elings Başkanı ve UC Santa Barbara Ulusal Bilim Vakfı Kuantum Dökümhanesi’nin eş yöneticisi Ania Jayich’in laboratuvarında, tercih edilen malzeme laboratuvarda yetiştirilen elmastır.
Malzeme bilimi ve kuantum fiziğinin kesiştiği noktada çalışan Jayich ve ekibi, elmastaki spin kübitler olarak bilinen mühendislik kusurlarının kuantum algılama için nasıl kullanılabileceğini araştırıyor. Laboratuvarın göze çarpan araştırmacıları arasında, kısa süre önce doktora derecesini alan Lillian Hughes yer alıyor. Yakında California Teknoloji Enstitüsü’nde doktora sonrası çalışmalara başlayacak olan bilim adamı, bu çabasında büyük bir ilerleme kaydetti.
Jayich’le birlikte yazılan üç makaleden oluşan bir dizide; biri Fiziksel İnceleme X (PRX) Nisan ayında ve ikinci ve üçüncü Doğa Ekim ayında Hughes, ilk kez sadece bireysel kübitlerin değil, birçok kusurdan oluşan iki boyutlu toplulukların da elmas içinde nasıl düzenlenebileceğini ve dolanabileceğini gösterdi.
Bu atılım, katı halde metrolojik kuantum avantajının gerçekleştirilmesine olanak tanıyarak yeni nesil kuantum teknolojilerine doğru önemli bir adıma işaret ediyor.
İyi tasarlanmış kusurlar
Hughes, “Elmaslardaki nitrojen-boşluk (NV) merkez dönüşlerinin, yoğunlukları ve boyutsallıkları üzerinde kontrol sahibi olacak şekilde bir konfigürasyonunu oluşturabiliriz, böylece bunlar yoğun bir şekilde paketlenir ve 2 boyutlu bir katmanla derinlikle sınırlandırılır” dedi. “Ve kusurların nasıl yönlendirileceğini tasarlayabildiğimiz için, onları sıfır olmayan dipolar etkileşimler sergileyecek şekilde tasarlayabiliriz.”
Bu başarı, konunun konusu oldu. PRX “(111) odaklı elmasta güçlü bir şekilde etkileşen, iki boyutlu, iki kutuplu bir spin topluluğu” başlıklı makale.
Elmasın NV merkezi, bir karbon atomunun yerine geçen bir nitrojen atomundan ve bitişik, eksik bir karbon atomundan (boşluk) oluşur.
Jayich, “NV merkez kusurunun birkaç özelliği var; bunlardan biri, spin olarak adlandırılan bir serbestlik derecesidir; temel olarak kuantum mekaniksel bir kavramdır. NV merkezi durumunda, dönüş çok uzun ömürlüdür” dedi Jayich.
“Bu uzun ömürlü dönüş durumları, NV merkezlerini kuantum algılama için kullanışlı hale getiriyor. Döndürme, algılamaya çalıştığımız manyetik alanla eşleşiyor.”
Jayich, spin serbestlik derecesini bir sensör olarak kullanma yeteneğinin, 1970’lerdeki manyetik rezonans görüntülemenin (MRI) icadından beri var olduğunu açıkladı ve MRI’nın, protonların hizalamasını ve enerji durumlarını manipüle ederek ve daha sonra dengeye döndüklerinde yaydıkları sinyalleri tespit ederek iç vücudun bir kısmının görüntüsünü oluşturarak çalıştığını belirtti.
Jayich, “Katı hal sisteminde gerçekleştirilen önceki kuantum algılama deneylerinin tümü, tekli dönüşlerden veya etkileşime girmeyen dönüş topluluklarından yararlanmıştı” dedi.
“Burada yeni olan şu ki, Lillian bu çok güçlü etkileşime giren yoğun spin topluluklarını büyütüp tasarlayabildiğinden, aslında kolektif davranıştan yararlanabiliyoruz, bu da ekstra bir kuantum avantajı sağlıyor, iyileştirilmiş sinyal-gürültü oranları elde etmek için kuantum dolaşma fenomenini kullanmamıza izin veriyor, daha fazla hassasiyet sağlıyor ve daha iyi bir ölçümü mümkün kılıyor.”
Hughes’un çalışmasının mümkün kıldığı dolaşıklık destekli algılama türü daha önce gaz fazlı atom sistemlerinde gösterilmişti.
Jayich, “İdeal olarak, birçok hedef uygulama için sensörünüzün entegre edilmesi ve incelenen sisteme yakınlaştırılması kolay olmalıdır” dedi.
“Bunu, örneğin GPS’in dayandığı gaz fazlı atomik sensörlerden ziyade elmas gibi katı halli bir malzemeyle yapmak çok daha kolaydır. Ayrıca atomik sensörler, vakum odaları ve çok sayıda lazer gibi sınırlandırmak ve kontrol etmek için önemli yardımcı donanımlara ihtiyaç duyar, bu da atomik bir sensörün bir proteine nanometre ölçeğinde yakınlaştırılmasını zorlaştırır, örneğin yüksek uzaysal çözünürlüklü görüntülemeyi yasaklar.”
Jayich laboratuvarında, malzeme bazlı elektronik efektlere ve olaylara bakmak için elmas sensörlerin kullanılmasına odaklanılıyor. Ancak, bir hücreye katı hal sensörü yerleştirmeye benzer şekilde Jayich şunları söyledi: “Maddi hedefleri bir elmas yüzeyinin nanometre ölçeğinde yakınlığına yerleştirebilir, böylece onları yüzey altı NV merkezlerine gerçekten yakınlaştırabilirsiniz. Dolayısıyla bu tür elmas kuantum sensörünü çeşitli ilginç hedef sistemlerle entegre etmek çok kolaydır. Bu platformun bu kadar heyecan verici olmasının büyük bir nedeni budur.”
Jayich, “Bu tür bir katı hal manyetik sensörü, örneğin biyolojik sistemlerin araştırılması için çok yararlı olabilir” dedi.
“Nükleer manyetik rezonans (NMR), örneğin biyolojik sistemlerdeki atomlardan gelen çok küçük manyetik alanların tespit edilmesine dayanır. Bu tür bir yaklaşım, çeşitli uygulamalar için yararlı olabilecek elektronik malzemeler, süper iletken malzemeler veya manyetik malzemeler gibi yeni malzemeleri anlamak istiyorsanız da kullanışlıdır.”
Gürültüyü susturmak için sıkmak
Herhangi bir ölçüm, ölçümü bir dereceye kadar hassasiyetle sınırlayan ilişkili gürültü içerir. Kuantum projeksiyon gürültüsü adı verilen temel bir gürültü kaynağı, ölçüm hassasiyetini standart kuantum limiti adı verilen bir değerle sınırlar; bu değer, ölçümde kullanılan kuantum sensörlerinin sayısı olan N’nin karekökü ile klasik olarak indirgenir.
Bununla birlikte, sensörler arasında belirli bir etkileşim biçimi tasarlanabilirse, N dolaşıksız sensör için standart kuantum sınırını aşmak mümkün hale gelir. Bunu yapmanın akıllıca bir yolu, parçacıklar arasındaki korelasyonları indükleyerek ve spin-sıkıştırılmış bir durum üreterek gürültünün genliğini “sıkıştırmaktır”.
Jayich, “Sanki bir santimetre aralıklı derecelendirmelere sahip bir metre çubuğuyla bir şeyi ölçmeye çalışıyorsunuz; bu santimetre aralıklı derecelendirmeler, ölçümünüzdeki gürültünün genliğini etkili bir şekilde temsil ediyor. Bir santimetreden çok daha küçük olan bir amip boyutunu ölçmek için böyle bir metre çubuğu kullanmazsınız” dedi Jayich.
“Gürültüyü sıkıştırarak – susturarak – ölçüm çubuğunu ‘ezmek’ için kuantum mekaniksel etkileşimleri etkili bir şekilde kullanırsınız, etkili bir şekilde daha ince tonlamalar yaratırsınız ve daha küçük şeyleri daha hassas bir şekilde ölçmenize olanak tanırsınız.”
İkinci makale, aynı sistemi kullanarak elde edilebilecek başka bir metrolojik kazanç türünü açıklamaktadır; bu durumda, daha iyi bir ölçüm yapmak için gürültü seviyesini artırmadan sinyal gücünü yükseltmektir. Yukarıda verilen amip örneğine göre, sinyalin güçlendirilmesi amiplerin büyütülmesi etkisine sahiptir, böylece bir santimetrelik derecelendirmeye sahip ölçüm çubuğu artık onu ölçmek için kullanılabilir.
Jayich, nihai gerçek dünya uygulamaları açısından şunları söyledi: “Öngörülen teknik zorlukların, yakın gelecekte faydalı bir algılama deneyinde kuantum avantajı göstermeyi engelleyeceğini düşünmüyorum. Bu çoğunlukla sinyal amplifikasyonunu daha güçlü hale getirmek veya sıkıştırma miktarını artırmakla ilgilidir. Bunu yapmanın bir yolu, 2Dxy düzlemindeki dönüşlerin konumunu kontrol ederek düzenli bir dizi oluşturmaktır.
Jayich, “Burada maddi bir zorluk var, çünkü dönüşlerin tam olarak nereye dahil olacağını belirleyemiyoruz, bir düzlem içinde biraz rastgele bir şekilde birleşiyorlar” diye ekledi.
“Bu şu anda üzerinde çalıştığımız bir şey, böylece sonunda her biri birbirinden belirli bir mesafeye yerleştirilmiş bu dönüşlerden oluşan bir ızgaraya sahip olabiliriz. Bu, algılamada pratik kuantum avantajını gerçekleştirmede olağanüstü bir zorluğa çözüm olacaktır.”
