Fisikawan di University of California, Santa Barbara, telah mengembangkan sistem spin terjerat dalam berlian yang melampaui batas sensing klasik menggunakan squeezing kuantum. Terobosan ini, yang dipimpin oleh Ania Jayich dan menampilkan karya Lillian Hughes, memungkinkan sensor kuantum yang lebih kuat dan kompak untuk aplikasi dunia nyata. Pencapaian ini dirinci dalam tiga makalah ilmiah terbaru.
Penelitian di UC Santa Barbara berfokus pada berlian yang ditanam di laboratorium sebagai bahan kunci untuk teknologi kuantum. Ania Jayich, Bruker Endowed Chair in Science and Engineering dan co-director NSF Quantum Foundry, memimpin tim yang mempelajari ketidaksempurnaan skala atom yang dikenal sebagai qubit spin dalam berlian untuk sensing kuantum canggih.
Lillian Hughes, yang baru saja menyelesaikan Ph.D.-nya dan pindah ke Caltech untuk pekerjaan pascadoktor, memimpin kemajuan besar. Melalui tiga makalah yang ditulis bersama—satu diterbitkan di Physical Review X pada Maret 2025 dan dua di Nature pada Oktober 2025—Hughes menunjukkan bahwa ensemble dua dimensi dari cacat kuantum dapat diorganisir dan terjerat di dalam berlian. Ini menandai tonggak untuk sistem padat yang menawarkan keuntungan kuantum yang terukur dalam sensing.
"Kami dapat membuat konfigurasi spin pusat nitrogen-vacancy (NV) di berlian dengan kendali atas kepadatan dan dimensionalitasnya, sehingga mereka dikemas dengan padat dan dibatasi kedalaman menjadi lapisan 2D," jelas Hughes. "Dan karena kami dapat merancang bagaimana cacat tersebut diorientasikan, kami dapat merekayasa mereka untuk menunjukkan interaksi dipolar non-nol."
Pusat NV menampilkan atom nitrogen yang menggantikan atom karbon dan vakansi yang berdekatan. Jayich mencatat, "Cacat pusat NV memiliki beberapa sifat, salah satunya adalah derajat kebebasan yang disebut spin—konsep mekanika kuantum mendasar. Dalam kasus pusat NV, spin tersebut sangat tahan lama. Keadaan spin yang tahan lama ini membuat pusat NV berguna untuk sensing kuantum."
Tidak seperti eksperimen sebelumnya dengan spin tunggal atau ensemble non-interaktif, pekerjaan ini memanfaatkan ensemble spin padat yang berinteraksi kuat. "Yang baru di sini adalah bahwa... kami benar-benar dapat memanfaatkan perilaku kolektif, yang memberikan keuntungan kuantum ekstra, memungkinkan kami menggunakan fenomena entanglement kuantum untuk mendapatkan rasio sinyal-ke-noise yang lebih baik," kata Jayich.
Sifat padat berlian membuatnya lebih mudah diintegrasikan daripada sensor atom fase gas, yang memerlukan ruang vakum dan laser. Tim bertujuan menggunakan sensor ini untuk memprobi sifat elektronik material dan sistem biologis, seperti dalam resonansi magnetik nuklir (NMR) untuk mendeteksi medan magnet kecil dari atom.
Untuk melampaui batas kuantum standar yang ditetapkan oleh noise proyeksi, para peneliti menggunakan spin squeezing, yang mengkorelasikan keadaan kuantum untuk mengurangi ketidakpastian. Jayich menganalogikan: "Seolah-olah Anda mencoba mengukur sesuatu dengan penggaris meter yang memiliki gradasi berjarak satu sentimeter... Dengan squeezing—Anda secara efektif menggunakan interaksi mekanika kuantum untuk 'meremas' penggaris itu, secara efektif menciptakan gradasi yang lebih halus."
Makalah Nature kedua menggambarkan amplifikasi sinyal untuk memperkuat sinyal tanpa menambahkan noise. Ke depan, Jayich mengantisipasi demonstrasi keuntungan kuantum dalam eksperimen praktis segera, dengan meningkatkan squeezing atau membentuk array spin reguler untuk mengontrol posisi dengan lebih tepat.