Físicos de la Universidad de California, Santa Bárbara, han desarrollado sistemas de espines entrelazados en diamante que superan los límites de detección clásicos mediante el squeezing cuántico. Este avance, liderado por Ania Jayich y con trabajo destacado de Lillian Hughes, permite sensores cuánticos más potentes y compactos para aplicaciones del mundo real. El logro se detalla en tres artículos científicos recientes.
La investigación en UC Santa Barbara se centra en el diamante cultivado en laboratorio como material clave para tecnologías cuánticas. Ania Jayich, la Bruker Endowed Chair in Science and Engineering y codirectora del NSF Quantum Foundry, lidera un equipo que estudia imperfecciones a escala atómica conocidas como qubits de espín en diamante para detección cuántica avanzada.
Lillian Hughes, quien recientemente completó su doctorado y se traslada a Caltech para un trabajo postdoctoral, encabezó un avance importante. A través de tres artículos coescritos —uno publicado en Physical Review X en marzo de 2025 y dos en Nature en octubre de 2025— Hughes demostró que conjuntos bidimensionales de defectos cuánticos pueden organizarse y entrelazarse dentro del diamante. Esto marca un hito para sistemas de estado sólido que ofrecen una ventaja cuántica medible en detección.
"Podemos crear una configuración de espines de centros de vacancia-nitrógeno (NV) en los diamantes con control sobre su densidad y dimensionalidad, de modo que estén densamente empaquetados y confinados en profundidad en una capa 2D," explicó Hughes. "Y porque podemos diseñar cómo se orientan los defectos, podemos ingeniarlos para que exhiban interacciones dipolares no cero."
Un centro NV presenta un átomo de nitrógeno que reemplaza a un átomo de carbono y una vacancia adyacente. Jayich señaló: "El defecto del centro NV tiene algunas propiedades, una de las cuales es un grado de libertad llamado espín —un concepto fundamentalmente cuántico mecánico. En el caso del centro NV, el espín es muy longevo. Estos estados de espín longevos hacen que los centros NV sean útiles para la detección cuántica."
A diferencia de experimentos anteriores con espines individuales o conjuntos no interactuantes, este trabajo aprovecha conjuntos densos de espines fuertemente interactuantes. "Lo nuevo aquí es que... podemos aprovechar realmente el comportamiento colectivo, que proporciona una ventaja cuántica extra, permitiéndonos usar los fenómenos de entrelazamiento cuántico para obtener mejores relaciones señal-ruido," dijo Jayich.
La naturaleza de estado sólido del diamante lo hace más fácil de integrar que los sensores atómicos en fase gaseosa, que requieren cámaras de vacío y láseres. El equipo busca usar estos sensores para sondar propiedades electrónicas de materiales y sistemas biológicos, como en resonancia magnética nuclear (NMR) para detectar pequeños campos magnéticos de átomos.
Para superar el límite cuántico estándar establecido por el ruido de proyección, los investigadores emplean squeezing de espín, que correlaciona estados cuánticos para reducir la incertidumbre. Jayich analogizó: "Es como si intentaras medir algo con una regla métrica que tiene graduaciones separadas por un centímetro... Al hacer squeezing —efectivamente usas interacciones cuánticas mecánicas para 'aplastar' esa regla, creando efectivamente graduaciones más finas."
El segundo artículo de Nature describe la amplificación de señal para fortalecer señales sin agregar ruido. Hacia el futuro, Jayich anticipa demostrar ventaja cuántica en experimentos prácticos pronto, mejorando el squeezing o formando arreglos regulares de espines para controlar posiciones con mayor precisión.