Сложная структура спинов придает алмазам уникальные квантовые свойства

Алмазы стали самыми точными квантовыми инструментами, открыв новую эру сверхточных измерений.

Скрытая сила внутри квантовых бриллиантов
Концептуальная иллюстрация художника, изображающая двумерную совокупность взаимодействующих спинов в алмазной решётке. Источник: Брайан Лонг

Стремление создать полезные квантовые технологии начинается с глубокого понимания странных законов, управляющих квантовым поведением, и того, как эти принципы можно применить к реальным материалам. В Калифорнийском университете в Санта-Барбаре физик Аня Джайич, заведующая кафедрой науки и инженерии имени Брукера, заведующая кафедрой квантовой науки имени Элингса и содиректор квантового центра NSF Quantum Foundry, руководит лабораторией, в которой ключевым материалом является выращенный в лаборатории алмаз.

Работая на стыке квантовой физики и материаловедения, Джейих и её команда изучают, как можно использовать точные несовершенства алмазной структуры на атомном уровне, известные как спиновые кубиты, для передовых квантовых измерений. Среди выдающихся исследователей группы — Лилиан Хьюз, которая недавно защитила докторскую диссертацию и теперь отправляется в Калифорнийский технологический институт для постдокторантуры. Она совершила крупный прорыв в этой области.

В трёх статьях, написанных в соавторстве, — одна в PRX в марте и две в Nature в октябре — Хьюз впервые продемонстрировал, что внутри алмаза можно организовать и запутать не только отдельные кубиты, но и двумерные ансамбли из множества квантовых дефектов. Это достижение знаменует собой важный этап на пути к созданию твердотельных систем, обеспечивающих измеримое квантовое преимущество в сенсорике и открывающих новые возможности для следующего поколения квантовых устройств.

Создание квантовых дефектов в алмазе

«Мы можем создать в алмазах конфигурацию спинов азотно-вакансионных (NV) центров, контролируя их плотность и размерность, чтобы они были плотно упакованы и находились в двухмерном слое», — объяснил Хьюз. «Поскольку мы можем задавать ориентацию дефектов, мы можем создавать их таким образом, чтобы они демонстрировали ненулевые дипольные взаимодействия». Это достижение легло в основу исследования PRX «Сильно взаимодействующий двумерный дипольный спиновый ансамбль в алмазе, ориентированном по (111)».

NV-центр состоит из атома азота, замещающего атом углерода, и прилегающей вакансии, в которой отсутствует атом углерода. «Дефект NV-центра обладает несколькими свойствами, одно из которых — степень свободы, называемая спином, — фундаментальное понятие квантовой механики. В случае NV-центра спин сохраняется очень долго, — сказал Джайих. — Эти долгоживущие спиновые состояния делают NV-центры полезными для квантовых измерений. Спин взаимодействует с магнитным полем, которое мы пытаемся измерить».

От МРТ к квантовому зондированию

Идея использования спина в качестве датчика возникла при разработке магнитно-резонансной томографии (МРТ) в 1970-х годах. Джейих объяснил, что МРТ работает за счёт управления ориентацией и энергетическим состоянием протонов и регистрации сигналов, которые они излучают при релаксации, формируя изображение внутренних структур.

«В предыдущих экспериментах по квантовому зондированию, проведённых в твердотельных системах, использовались одиночные спины или невзаимодействующие спиновые ансамбли, — сказал Джайич. — Новизна заключается в том, что благодаря способности Лилиан выращивать и создавать эти сильно взаимодействующие плотные спиновые ансамбли мы можем использовать коллективное поведение, которое даёт дополнительное квантовое преимущество, позволяя нам применять феномен квантовой запутанности для улучшения соотношения сигнал/шум, повышения чувствительности и улучшения качества измерений».

Почему алмаз важен для квантовых сенсоров

Тип сенсорного восприятия с использованием запутанности, продемонстрированный Хьюзом, уже был показан ранее, но только в газофазных атомных системах. «В идеале для многих целевых приложений ваш сенсор должен быть простым в интеграции и размещении рядом с изучаемой системой, — сказал Джейих. — Гораздо проще сделать это с помощью твердотельного материала, такого как алмаз, чем с помощью газофазных атомных датчиков, на которых, например, основана система GPS. Кроме того, для работы атомных сенсоров требуется значительное вспомогательное оборудование для локализации и контроля, например вакуумные камеры и многочисленные лазеры. Это затрудняет размещение атомного сенсора в непосредственной близости от белка на нанометровом уровне, например для получения изображений с высоким пространственным разрешением.

Команда Джайича уделяет особое внимание использованию квантовых датчиков на основе алмаза для изучения электронных свойств материалов. «Вы можете поместить образцы материалов в непосредственной близости от поверхности алмаза на нанометровом расстоянии, тем самым приблизив их к подповерхностным NV-центрам, — объяснил Джайич. — Таким образом, этот тип квантового датчика на основе алмаза очень легко интегрировать с различными интересными образцами. Это одна из главных причин, почему эта платформа так интересна».

Изучение материалов и биологических процессов с квантовой точностью

«Подобный твердотельный магнитный датчик может быть очень полезен для исследования, например, биологических систем, — сказал Джайих. — Ядерный магнитный резонанс [ЯМР] основан на регистрации очень слабых магнитных полей, создаваемых атомами, например, в биологических системах. Такой подход также полезен, если вы хотите изучить новые материалы, будь то электронные, сверхпроводящие или магнитные материалы, которые могут быть полезны в самых разных областях».

Преодоление квантового шума

Любое измерение имеет предел, обусловленный шумом, который ограничивает точность. Фундаментальная форма этого шума, называемая квантовым проекционным шумом, устанавливает так называемый стандартный квантовый предел — точку, за которой неразвязанные датчики не могут работать лучше. Если учёные смогут создать определённые взаимодействия между датчиками, они смогут преодолеть этот предел. Один из способов сделать это — спиновое сжатие, которое коррелирует квантовые состояния для уменьшения неопределённости.

«Это всё равно что пытаться измерить что-то линейкой с делениями, расположенными на расстоянии сантиметра друг от друга. Эти деления, расположенные на расстоянии сантиметра, фактически являются амплитудой шума при вашем измерении. Такую линейку нельзя использовать для измерения размера амебы, которая намного меньше сантиметра», — сказал Джейих. «Сжимая — подавляя шум — вы фактически используете квантово-механические взаимодействия, чтобы „сжать“ эту измерительную линейку, тем самым создавая более тонкие градации и позволяя более точно измерять небольшие объекты».

Усиление квантовых Сигналов

Во второй статье команды Nature подробно описывается другая стратегия улучшения измерений: усиление сигнала. Этот подход позволяет усилить сигнал без увеличения шума. Если провести аналогию с измерительной линейкой, то при усилении сигнала амеба будет казаться больше, и даже грубая разметка позволит точно её измерить.

Заглядывая в будущее, Джейих уверена, что эти принципы можно будет применять в реальных системах. «Я не думаю, что предвидимые технические трудности помешают продемонстрировать квантовое преимущество в полезном сенсорном эксперименте в ближайшем будущем, — сказала она. — В основном речь идёт о том, чтобы усилить сигнал или увеличить степень сжатия. Один из способов сделать это — контролировать положение спинов в двумерной плоскости xy, формируя регулярный массив».

«Здесь есть проблема с материалами: поскольку мы не можем точно указать, где будут располагаться спины, они располагаются в плоскости в некоторой степени хаотично, — добавил Джейих. — Сейчас мы работаем над этим, чтобы в конечном итоге получить сетку из этих спинов, каждый из которых будет находиться на определённом расстоянии от других. Это позволило бы решить серьёзную проблему с реализацией практического квантового преимущества в сенсорике».

Ссылки на журналы:

Вейцзе Ву, Эмили Дж. Дэвис, Лилиан Б. Хьюз, Бинтянь Е, Цзылинь Ван, Доминик Куфель, Тасуку Оно, Саймон А. Мейнелл, Максвелл Блок, Че Лю, Хаопу Ян, Аня К. Блешински Джейич, Норман Я. Яо. Спин-сжатие в ансамбле азотно-вакансионных центров в алмазе. Nature, 2025; 646 (8083): 74 DOI: 10.1038/s41586-025-09524-8