טכניקה יכולה לשפר את הרגישות של מכשירי חישה קוונטיים

פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות


בחישה קוונטית, מערכות קוונטיות בקנה מידה אטומי משמשות למדידת שדות אלקטרומגנטיים, כמו גם תכונות כמו סיבוב, תאוצה ומרחק, הרבה יותר מדויק ממה שחיישנים קלאסיים יכולים. הטכנולוגיה יכולה לאפשר מכשירים שמדמים את המוח בפרטים חסרי תקדים, למשל, או מערכות בקרת תעבורה אווירית עם דיוק מיקום מדויק.

פרסומת

מכיוון שמכשירי חישה קוונטיים רבים בעולם האמיתיים צצים, כיוון אחד מבטיח הוא השימוש בפגמים מיקרוסקופיים בתוך יהלומים כדי ליצור "קווביטים" שניתן להשתמש בהם לחישה קוונטית. קוויביטים הם אבני הבניין של מכשירים קוונטיים.

חוקרים ב-MIT ובמקומות אחרים פיתחו טכניקה המאפשרת להם לזהות ולשלוט במספר רב יותר של פגמים מיקרוסקופיים אלה. זה יכול לעזור להם לבנות מערכת גדולה יותר של קיוביטים שיכולים לבצע חישה קוונטית ברגישות רבה יותר.

השיטה שלהם בונה על פגם מרכזי בתוך יהלום, המכונה מרכז חנקן (NV), שמדענים יכולים לזהות ולרגש באמצעות אור לייזר ולאחר מכן לשלוט בפולסים של מיקרוגל. גישה חדשה זו משתמשת בפרוטוקול ספציפי של פעימות מיקרוגל כדי לזהות ולהרחיב את השליטה לפגמים נוספים שלא ניתן לראות בלייזר, הנקראים ספינים כהים.

החוקרים מבקשים לשלוט במספרים גדולים יותר של ספינים אפלים על ידי איתורם דרך רשת של ספינים מחוברים. החל מהספין ה-NV המרכזי הזה, החוקרים בונים את השרשרת הזו על ידי צימוד הספין NV לספין אפל סמוך, ולאחר מכן משתמשים בספין האפל הזה כבדיקה כדי למצוא ולשלוט בספין מרוחק יותר שלא ניתן לחוש על ידי ה-NV ישירות . ניתן לחזור על התהליך בסיבובים המרוחקים יותר כדי לשלוט על שרשראות ארוכות יותר.

"לקח אחד שלמדתי מהעבודה הזו הוא שחיפוש בחושך עשוי להיות די מייאש כשלא רואים תוצאות, אבל הצלחנו לקחת את הסיכון הזה. אפשר, עם קצת אומץ, לחפש במקומות שאנשים מחזיקים בהם לא חיפשתי קודם ומצאתי קיוביטים פוטנציאליים מועילים יותר", אומר אלכס אונגר, דוקטורנט להנדסת חשמל ומדעי המחשב וחבר בקבוצת ההנדסה הקוונטית ב-MIT, שהוא המחבר הראשי של מאמר על טכניקה זו, שמתפרסם היום ב PRX Quantum.

שותפיו למחברים כוללים את יועצתו והמחבר המקביל, פאולה קפלרו, פרופסור פורד להנדסה במחלקה למדע והנדסה גרעינית ופרופסור לפיזיקה; כמו גם אלכסנדר קופר, מדען מחקר בכיר במכון למחשוב קוונטי של אוניברסיטת ווטרלו; ו-Won Kyu Calvin Sun, חוקר לשעבר בקבוצתו של קפלרו, שהוא כעת פוסט דוקטורט באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין.

פגמים ביהלומים

כדי ליצור מרכזי NV, מדענים משתילים חנקן בדגימה של יהלום.

אבל החדרת חנקן ליהלום יוצרת סוגים אחרים של פגמים אטומיים בסביבה שמסביב. חלק מהפגמים הללו, כולל מרכז ה-NV, יכולים לארח את מה שמכונה ספינים אלקטרוניים, שמקורם באלקטרוני הערכיות סביב אתר הפגם. אלקטרונים ערכיים הם אלו הנמצאים במעטפת החיצונית ביותר של אטום. ניתן להשתמש באינטראקציה של פגם עם שדה מגנטי חיצוני ליצירת קיוביט.

חוקרים יכולים לרתום את הספינים האלקטרוניים האלה מפגמים שכנים כדי ליצור יותר קיוביטים סביב מרכז NV יחיד. אוסף גדול יותר זה של קיוביטים ידוע כאוגר קוונטי. רישום קוונטי גדול יותר מגביר את הביצועים של חיישן קוונטי.

חלק מפגמי הספין האלקטרוניים הללו מחוברים למרכז NV באמצעות אינטראקציה מגנטית. בעבודות קודמות, חוקרים השתמשו באינטראקציה זו כדי לזהות ולשלוט בספינים בקרבת מקום. עם זאת, גישה זו מוגבלת מכיוון שמרכז ה-NV יציב רק לפרק זמן קצר, עיקרון שנקרא קוהרנטיות. ניתן להשתמש בו רק כדי לשלוט בספינים המעטים שניתן להגיע אליהם במסגרת מגבלת הקוהרנטיות הזו.

במאמר חדש זה, החוקרים משתמשים בפגם ספין אלקטרוני שנמצא ליד מרכז NV כבדיקה כדי למצוא ולשלוט בספין נוסף, ויוצרים שרשרת של שלושה קיוביטים.

הם משתמשים בטכניקה המכונה תהודה כפולה של ספין הד (SEDOR), הכוללת סדרה של פעימות מיקרוגל המנתקות מרכז NV מכל הספינים האלקטרוניים שמקיימים איתו אינטראקציה. לאחר מכן, הם מפעילים באופן סלקטיבי דופק נוסף של מיקרוגל כדי לשייך את מרכז ה-NV עם סיבוב אחד קרוב.

בניגוד ל-NV, לא ניתן לעורר את הספינים האפלים הסמוכים האלה, או לקטב אותם, עם אור לייזר. קיטוב זה הוא שלב נדרש כדי לשלוט בהם באמצעות גלי מיקרו.

ברגע שהחוקרים מוצאים ומאפיינים ספין בשכבה ראשונה, הם יכולים להעביר את הקיטוב של ה-NV לספין השכבה הראשונה באמצעות האינטראקציה המגנטית על ידי הפעלת גלי מיקרו על שני הספינים בו זמנית. לאחר מכן ברגע שהספין של השכבה הראשונה מקוטב, הם חוזרים על תהליך ה-SEDOR בספין השכבה הראשונה, תוך שימוש בו כבדיקה לזיהוי ספין של השכבה השנייה שמקיים איתה אינטראקציה.

שליטה בשרשרת של ספינים אפלים

תהליך SEDOR חוזר זה מאפשר לחוקרים לזהות ולאפיין פגם חדש ומובחן הנמצא מחוץ לגבול הקוהרנטיות של מרכז ה-NV. כדי לשלוט בספין הרחוק יותר הזה, הם מיישמים בזהירות סדרה ספציפית של פעימות מיקרוגל המאפשרות להם להעביר את הקיטוב ממרכז ה-NV לאורך השרשרת לסחרור השכבה השנייה.

"זה מכין את הבמה לבניית רגיסטרים קוונטיים גדולים יותר לספינים בשכבה גבוהה יותר או שרשראות ספין ארוכות יותר, וגם מראה שאנחנו יכולים למצוא את הפגמים החדשים האלה שלא התגלו קודם לכן על ידי הגדלת הטכניקה הזו", אומר אונגר.

כדי לשלוט בספין, פעימות המיקרוגל חייבות להיות קרובות מאוד לתדר התהודה של אותו ספין. סחיפות זעירות במערך הניסוי, עקב טמפרטורה או רעידות, עלולות להפיל את פעימות המיקרוגל.

החוקרים הצליחו לייעל את הפרוטוקול שלהם לשליחת פולסים מדויקים של מיקרוגל, מה שאיפשר להם לזהות ולשלוט ביעילות בספינים של השכבה השנייה, אומר אונגר.

"אנחנו מחפשים משהו בלא נודע, אבל יחד עם זאת, ייתכן שהסביבה לא תהיה יציבה, אז אתה לא יודע אם מה שאתה מוצא הוא רק רעש. ברגע שאתה מתחיל לראות דברים מבטיחים, אתה יכול לשים את כל המאמץ הטוב ביותר בכיוון האחד הזה. אבל לפני שאתה מגיע לשם, זו קפיצת מדרגה של אמונה", אומר קפלרו.

בעוד שהם הצליחו להדגים ביעילות שרשרת של שלושה ספינים, החוקרים מעריכים שהם יכולים להרחיב את השיטה שלהם לשכבה חמישית באמצעות הפרוטוקול הנוכחי שלהם, מה שיכול לספק גישה למאות קיוביטים פוטנציאליים. עם אופטימיזציה נוספת, הם עשויים להיות מסוגלים להגדיל עד ליותר מ-10 שכבות.

בעתיד, הם מתכננים להמשיך ולשפר את הטכניקה שלהם כדי לאפיין ולבחון ביעילות ספינים אלקטרוניים אחרים בסביבה ולחקור סוגים שונים של פגמים שיכולים לשמש ליצירת קיוביטים.

מחקר זה נתמך, בחלקו, על ידי הקרן הלאומית למדע של ארה"ב וקרן המצוינות הראשונה במחקר של קנדה.



קישור לכתבת המקור – 2024-02-09 01:23:47

Facebook
Twitter
LinkedIn
Telegram
WhatsApp
Email
פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות

עוד מתחומי האתר