آیا تا به حال فکر کردهاید که چگونه میتوانیم دنیای نامرئی میدانهای مغناطیسی را در مقیاسی هزاران بار کوچکتر از یک تار موی انسان «ببینیم»؟ دانشمندان از نقصهای اتمی کوچک در الماس، معروف به مراکز نیتروژن-تهیجا (NV)، به عنوان حسگرهای محلی فوقالعاده دقیق استفاده میکنند. این مراکز NV مانند بیتهای کوانتومی منفرد یا کیوبیتها عمل میکنند و به ما امکان میدهند تا میدانهای مغناطیسی و نویز را با وضوح نانومقیاس ترسیم کنیم. برای مدتها، این کار با کنترل و خوانش یک کیوبیت در هر لحظه انجام میشد.
با این حال، یک مطالعه پیشگامانه با عبور از یک کارآگاه تنها به تیمی از شرکای کوانتومی، مرزهای ممکن را جابجا میکند. محققان روشهای جدیدی را توسعه دادهاند که از جفتهای این مراکز NV، همراه با اسپینهای هستهای مجاور، به عنوان حسگرهای چند کیوبیتی پیچیده استفاده میکنند. این فقط به معنای داشتن دو حسگر به جای یک حسگر نیست؛ بلکه به معنای فعال کردن روشهای کاملاً جدیدی برای اندازهگیری جهان است، مانند تشخیص اینکه چگونه نویز مغناطیسی بین دو نقطه مختلف در فضا و زمان همبسته است.
یکی از چالشهای کلیدی، تمایز بین همبستگیهای واقعی و نوسانات پسزمینه ساده است. برای حل این مشکل برای مراکز NV که نزدیک هستند اما برهمکنش ندارند، این تیم یک پروتکل هوشمندانه «چرخش فاز» (phase-cycling) را پیادهسازی کرد. آنها به طرز مبتکرانهای از یک کیوبیت سوم و نزدیک—یک هسته کربن 13C—به عنوان یک ابزار استفاده کردند. این اسپین هستهای به آنها اجازه داد تا به طور همدوس حالت تنها یکی از مراکز NV را بچرخانند، حتی زمانی که این دو آنقدر به هم نزدیک بودند که از نظر نوری قابل تشخیص نبودند. این کنترل انتخابی، راز جداسازی سیگنال همبستگی خالص از سایر نویزها است.
اما انقلابیترین بخش این کار از به کارگیری یکی از مشهورترین ویژگیهای مکانیک کوانتومی ناشی میشود: درهمتنیدگی. برای مراکز NV که تقریباً در فاصله ۱۰ نانومتری از یکدیگر قرار دارند، محققان توانستند آنها را از طریق جفتشدگی طبیعی دوقطبی-دوقطبی به یکدیگر متصل کنند. با ایجاد یک حالت حداکثر درهمتنیده، معروف به حالت بِل (Bell state)، دو مرکز NV دیگر موجودیتهای مستقلی نیستند و به عنوان یک حسگر واحد و یکپارچه عمل میکنند. این حسگر درهمتنیده فقط میدان مغناطیسی را در دو نقطه اندازهگیری نمیکند؛ بلکه مستقیماً همبستگی میدان بین آن دو را میسنجد.
این رویکرد اساساً بازی را تغییر میدهد. به طور معمول، حساسیت چنین اندازهگیری تحت تأثیر «نویز خوانش»—عدم دقت ذاتی در خواندن حالت کیوبیت—به صورت درجه دوم قرار میگیرد. این بدان معناست که مقدار کمی نویز تأثیر منفی بسیار بزرگی دارد. با استفاده از درهمتنیدگی، وابستگی حساسیت به نویز خطی میشود. این تغییر به ظاهر ساده منجر به بهبود عملکردی عظیم میشود. برای تکنیکهای خوانش استاندارد، که در آن نویز حدود ۳۰ برابر حد کوانتومی نظری است، این امر به بهبودی بیش از ده برابری در حساسیت منجر میشود!
در نهایت، این مطالعه روشهایی را برای استفاده از جفتهای NV با برهمکنش قوی برای تشخیص همبستگیها با وضوح فضایی و زمانی بسیار بالا به نمایش میگذارد. این کار مرز جدیدی را در سنجش کوانتومی باز میکند و ابزارهای قدرتمند جدیدی برای کاوش پدیدههای پیچیده در فیزیک ماده چگال، از مغناطیس در مواد نوین گرفته تا رفتار الکترونها در ابررساناها، فراهم میکند.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد این تکنیکهای پیشگام، مطالعه کامل را بررسی کنید.
منبع: Nature