Des physiciens de l'Université de Californie, Santa Barbara, ont développé des systèmes de spins intriqués dans un diamant qui dépassent les limites de détection classiques en utilisant le squeezing quantique. Cette avancée, menée par Ania Jayich et mettant en vedette le travail de Lillian Hughes, permet des capteurs quantiques plus puissants et compacts pour des applications dans le monde réel. La réalisation est détaillée dans trois articles scientifiques récents.
La recherche à l'UC Santa Barbara se concentre sur le diamant cultivé en laboratoire comme matériau clé pour les technologies quantiques. Ania Jayich, titulaire de la chaire Bruker en sciences et ingénierie et codirectrice de la NSF Quantum Foundry, dirige une équipe étudiant les imperfections à l'échelle atomique connues sous le nom de qubits de spin dans le diamant pour une détection quantique avancée.
Lillian Hughes, qui a récemment terminé son doctorat et rejoint Caltech pour un poste postdoctoral, a dirigé un avancement majeur. À travers trois articles co-écrits — un publié dans Physical Review X en mars 2025 et deux dans Nature en octobre 2025 — Hughes a montré que des ensembles bidimensionnels de défauts quantiques peuvent être organisés et intriqués à l'intérieur du diamant. Cela marque une étape importante pour les systèmes à état solide offrant un avantage quantique mesurable en détection.
« Nous pouvons créer une configuration de spins de centres azote-vacance (NV) dans les diamants avec un contrôle sur leur densité et leur dimensionalité, de sorte qu'ils soient densément emballés et confinés en profondeur dans une couche 2D », a expliqué Hughes. « Et parce que nous pouvons concevoir l'orientation des défauts, nous pouvons les ingénier pour qu'ils présentent des interactions dipolaires non nulles. »
Un centre NV présente un atome d'azote remplaçant un atome de carbone et une lacune adjacente. Jayich a noté : « Le défaut du centre NV a quelques propriétés, dont l'une est un degré de liberté appelé spin — un concept fondamentalement quantique mécanique. Dans le cas du centre NV, le spin est très durable. Ces états de spin à longue durée de vie rendent les centres NV utiles pour la détection quantique. »
Contrairement aux expériences précédentes avec des spins uniques ou des ensembles non interactifs, ce travail exploite des ensembles denses de spins fortement interactifs. « Ce qui est nouveau ici, c'est que... nous pouvons réellement exploiter le comportement collectif, qui fournit un avantage quantique supplémentaire, nous permettant d'utiliser les phénomènes d'intrication quantique pour obtenir de meilleurs rapports signal-bruit », a déclaré Jayich.
La nature à état solide du diamant le rend plus facile à intégrer que les capteurs atomiques en phase gazeuse, qui nécessitent des chambres à vide et des lasers. L'équipe vise à utiliser ces capteurs pour sonder les propriétés électroniques des matériaux et des systèmes biologiques, comme dans la résonance magnétique nucléaire (RMN) pour détecter de petits champs magnétiques d'atomes.
Pour dépasser la limite quantique standard fixée par le bruit de projection, les chercheurs utilisent le squeezing de spin, qui corrèle les états quantiques pour réduire l'incertitude. Jayich a analogisé : « C'est comme si vous essayiez de mesurer quelque chose avec une règle graduée par centimètre... En squeezant — vous utilisez effectivement des interactions quantiques mécaniques pour 'aplatir' cette règle, créant ainsi des graduations plus fines. »
Le deuxième article de Nature décrit l'amplification de signal pour renforcer les signaux sans ajouter de bruit. À l'avenir, Jayich s'attend à démontrer un avantage quantique dans des expériences pratiques sous peu, en améliorant le squeezing ou en formant des réseaux de spins réguliers pour contrôler les positions plus précisément.