Microonde, Qubit e un ‘Trucco’ Quantistico: Vi Spiego la Rivoluzione nel Sensing!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e curiosi! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi sta particolarmente a cuore e che, credetemi, ha il potenziale per cambiare le carte in tavola in un sacco di campi: sto parlando del sensing quantistico a microonde. Immaginate di poter “ascoltare” segnali debolissimi, quasi impercettibili, con una precisione mai vista prima. Ecco, ci stiamo avvicinando a grandi passi, e voglio raccontarvi come.

Sentire l’invisibile: una sfida da brivido!

Nel mondo della fisica, e in particolare quando si gioca con i qubit (i mattoncini fondamentali dei computer quantistici), una delle sfide più grandi è mantenere la loro “coerenza”. Pensate ai qubit come a delle trottole super sensibili: qualsiasi piccolo disturbo, il “rumore”, può farle smettere di girare correttamente, facendoci perdere informazioni preziose. Questo è un bel problema quando vogliamo usare questi sistemi per misurare, ad esempio, campi magnetici che oscillano a frequenze altissime, nell’ordine dei MegaHertz (MHz) o addirittura GigaHertz (GHz).

Le tecniche di “eterodina quantistica” sono fantastiche perché ci permettono di registrare questi segnali veloci con una precisione limitata solo dalla teoria di Fourier, il che è pazzesco. In pratica, confrontiamo il segnale che vogliamo misurare con un “orologio” esterno super stabile. Però, c’è un “ma”: se il nostro sensore quantistico (il nostro qubit) perde coerenza troppo in fretta, la sensibilità con cui misuriamo l’ampiezza del segnale ne risente parecchio, specialmente in sistemi che soffrono di un forte “allargamento inomogeneo” – un modo complicato per dire che non tutti i nostri qubit si comportano esattamente allo stesso modo.

I limiti dei metodi tradizionali e la nostra idea

Per proteggere la coerenza degli spin (i nostri qubit, in questo contesto), si usano spesso schemi chiamati di “disaccoppiamento dinamico”. Immaginateli come una serie di “colpetti” ben assestati che aiutano lo spin a ignorare il rumore. Questi schemi sono spesso implementati con treni di impulsi. Funzionano, eh, ma hanno i loro limiti: la larghezza di banda del sensore è legata alla distanza tra gli impulsi, e portarli a frequenze altissime (GHz) può essere complicato, anche se ci sono trucchi come “vestire” lo spin in un cosiddetto “tripletto di Mollow”.

E se invece di impulsi usassimo un approccio continuo? Qui entra in gioco la nostra idea, basata su un protocollo chiamato Continuous Concatenated Dynamical Decoupling (CCDD). È un nome un po’ altisonante, lo so, ma l’idea di base è geniale: usiamo un campo a microonde continuo, modulato in un certo modo, per schermare lo spin dal rumore a bassa frequenza. È come creare una bolla protettiva attorno al nostro qubit. Il bello è che questo approccio ci permette di estendere la coerenza dello spin fino a un limite teorico chiamato T₂ ≈ ½T₁ (dove T₁ è il tempo di rilassamento dello spin, un’altra sua caratteristica intrinseca).

La vera novità del nostro lavoro è che non solo riusciamo a proteggere lo spin e a misurare frequenza e ampiezza di segnali da MHz a GHz, ma siamo anche riusciti a rendere il nostro sensore sensibile alla fase del segnale! Questa è una svolta, perché le implementazioni precedenti di CCDD, pur ottimizzando la sensibilità all’ampiezza e alla frequenza, trascuravano la fase, impedendone l’uso nei protocolli di eterodina quantistica, che invece sulla fase ci campano.

Come funziona questa magia? Un’occhiata (semplificata) al motore

Senza entrare troppo nei dettagli matematici da mal di testa, vi dico che usiamo un CCDD modulato in fase per “guidare” lo spin lungo due assi diversi, a due frequenze diverse. Se un segnale magnetico esterno è “in risonanza” con queste rotazioni, farà deviare lo spin dalla sua traiettoria guidata dal CCDD. E la cosa fichissima è che il modo in cui devia dipende proprio dalla fase del segnale!

Poi, “leggiamo” questa deviazione proiettando lo spin sull’asse z attraverso una lettura ottica. In pratica, illuminiamo il nostro sistema e vediamo quanta luce emette: la quantità di luce dipende dallo stato dello spin, e quindi ci dice se e come è stato perturbato dal segnale. Abbiamo dimostrato tutto questo usando un insieme di “vacanze di boro” (V_B^–) nel nitruro di boro esagonale (hBN), un materiale bidimensionale super interessante.

Con questo sistema, siamo riusciti a sopprimere gli effetti del rumore magnetico proveniente dai nuclei di spin dell’azoto presenti nel materiale ospite (che sono una bella seccatura per la coerenza) e abbiamo raggiunto una sensibilità all’ampiezza di circa 3-5 microTesla per radice di Hertz (µT/√Hz) e una sensibilità di fase di circa 0.076 radianti per radice di Hertz (rads/√Hz). Sono numeri che iniziano a farsi davvero interessanti!

Messo alla prova: i numeri non mentono!

Abbiamo costruito un piccolo dispositivo: un substrato di zaffiro con sopra una guida d’onda coplanare d’oro (per portare le microonde) e un fiocchetto di hBN irradiato con ioni (per creare le nostre vacanze di boro). Un laser a 488 nm (blu-verde) eccita otticamente il sistema e la stessa luce emessa (fotoluminescenza) viene raccolta per leggere lo stato dello spin. Tutto a temperatura ambiente, il che non è poco!

Una cosa fondamentale del CCDD è che crea degli “stati vestiti” (dressed states) che sono più robusti al rumore. Il nostro trucco per la sensibilità di fase sta nell’applicare il secondo campo a microonde del CCDD “in fase” con il primo, e perpendicolare al vettore di spin, in modo da modulare la frequenza di Rabi (la velocità con cui lo spin oscilla sotto l’effetto del campo). In questo modo, la proiezione dello spin sull’asse z diventa dipendente dalla fase del segnale esterno.

Abbiamo fatto esperimenti di Rabi (che misurano come lo spin evolve nel tempo sotto l’effetto delle microonde) e abbiamo visto chiaramente che la risposta del sistema cambia drasticamente a seconda della fase del segnale applicato, quando impostiamo la fase del nostro drive CCDD in un certo modo (θ_m = π/2). Se invece la impostiamo a zero (θ_m = 0), la risposta dipende dall’ampiezza del segnale ma non dalla sua fase, come ci si aspettava dalle versioni precedenti del CCDD.

Un altro risultato notevole è l’estensione del tempo di coerenza. Senza segnale, il nostro CCDD porta la coerenza da circa 36 nanosecondi (il tempo di Rabi base) a circa 700 nanosecondi, e ottimizzando ulteriormente si arriva a 1.2 microsecondi. Quando applichiamo un segnale, questo agisce come un ulteriore meccanismo di disaccoppiamento, e la coerenza può arrivare fino a circa 4 microsecondi! È quasi un quarto del tempo di vita T₁ dello spin, un risultato eccellente.

Il ‘turbo’ dell’eterodina quantistica

La vera ciliegina sulla torta è stata dimostrare che questo schema è compatibile con la rilevazione eterodina quantistica. Qui, il nostro drive CCDD agisce come l’orologio locale super stabile. Registrando la differenza di fase istantanea tra il segnale continuo (che vogliamo misurare) e il nostro orologio CCDD, riusciamo a tracciare la frequenza di “battimento” tra i due. Facendo la trasformata di Fourier di questi dati, otteniamo la deviazione del segnale dall’orologio con una risoluzione pazzesca.

E i risultati? Abbiamo registrato un segnale a circa 2.31 GHz con una risoluzione inferiore a 0.118 Hertz e un rapporto segnale/rumore (SNR) di 235, il tutto in soli 10 secondi di misurazione! Per darvi un’idea, lavori precedenti con sistemi simili su hBN avevano raggiunto risoluzioni di circa 0.9 Hz con SNR di 8.5 in 2 secondi, ma su segnali a frequenza molto più bassa (18 MHz). Il nostro schema, quindi, non solo funziona a frequenze GHz, ma lo fa con prestazioni notevoli.

Un aspetto importante è che il nostro metodo, a differenza degli schemi a impulsi che possono soffrire di errori cumulativi e perdita di contrasto specialmente in sistemi con grande allargamento inomogeneo, riesce a “rifocalizzare” gli spin disaccordati, permettendo a un grande sottoinsieme dell’ensemble di essere guidato coerentemente. Questo è un vantaggio non da poco quando si lavora con materiali “reali” che non sono mai perfetti.

Perché tutto questo è un vero game-changer?

Riuscire a fare tutto questo in un materiale bidimensionale come l’hBN apre scenari incredibili per il sensing su scala nanometrica. Pensate a poter “vedere” i campi magnetici prodotti da singole molecole, o studiare le onde di spin (magnoni) in film sottili ferromagnetici – queste onde sono promettenti per trasferire dati senza le perdite ohmiche dell’elettronica tradizionale. Il nostro sensore, essendo sensibile alla fase, potrebbe addirittura essere usato per “fotografare” la forma d’onda di queste onde di spin mentre si propagano!

Inoltre, il nostro protocollo supporta anche risonanze a frequenze più basse (decine di MHz), che potrebbero essere rilevanti per la risonanza magnetica nucleare (NMR) su nanoscala, magari a campi magnetici molto intensi. Potremmo anche usarlo per analizzare circuiti a microonde, identificare punti caldi o modi di fallimento.

Insomma, abbiamo sviluppato un protocollo di sensing CCDD modulato in fase che estende la coerenza di un insieme di V_B^– nel regime dei microsecondi, offrendo un controllo sintonizzabile sulla risposta in fase, frequenza e ampiezza del sensore. È uno strumento potente che, combinato con difetti di spin singoli brillanti e l’uso di spin nucleari locali come qubit ancillari, promette faville per il futuro del quantum sensing.

Spero di avervi trasmesso un po’ del mio entusiasmo per questa ricerca! È un campo in rapidissima evoluzione, e ogni piccolo passo avanti ci avvicina a tecnologie che oggi possiamo solo sognare.

Fonte: Springer Nature