カリフォルニア大学サンタバーバラ校の物理学者らは、量子スクイージングを用いて古典的なセンシング限界を超えるダイヤモンド内の絡み合ったスピンシステムを開発した。この画期的な成果は、Ania Jayich氏が主導し、Lillian Hughes氏の研究を特徴としており、現実世界のアプリケーション向けに、より強力でコンパクトな量子センサーを可能にする。この達成は、最近の3つの科学論文で詳述されている。
UC Santa Barbaraの研究は、量子技術の重要な材料として実験室で培養されたダイヤモンドに焦点を当てている。Ania Jayichは、Bruker Endowed Chair in Science and EngineeringおよびNSF Quantum Foundryの共同ディレクターであり、ダイヤモンド内のスピンキュービットとして知られる原子スケールの欠陥を研究するチームを率いて、先進的な量子センシングに取り組んでいる。
最近Ph.D.を修了し、Caltechでポスドク研究に移るLillian Hughesは、主要な進歩を主導した。3つの共著論文—2025年3月にPhysical Review Xに掲載されたものと、2025年10月にNatureに掲載された2つ—を通じて、Hughesは量子欠陥の二次元アンサンブルがダイヤモンド内で組織化され、絡み合わされることを示した。これは、センシングで測定可能な量子優位性を提供する固体状態システムのマイルストーンである。
「ダイヤモンド内の窒素空孔（NV）センターのスピンの構成を、密度と次元性を制御して作成でき、それにより高密度で深さ制限された2D層に詰め込むことができる」とHughesは説明した。「そして、欠陥の向きを設計できるため、非ゼロの双極子相互作用を示すようにエンジニアリングできる。」
NVセンターは、窒素原子が炭素原子を置き換え、隣接する空孔を特徴とする。Jayichは、「NVセンター欠陥にはいくつかの特性があり、その一つがスピンと呼ばれる自由度—根本的に量子力学的概念である。NVセンターの場合、スピンは非常に長寿命である。これらの長寿命スピン状態が、NVセンターを量子センシングに有用にする」と述べた。
単一のスピンや非相互作用アンサンブルを用いた以前の実験とは異なり、この研究は強く相互作用する高密度スピンアンサンブルを活用する。「ここで新しいのは...集団的な振る舞いを実際に活用でき、それが追加の量子優位性を提供し、量子絡み合いの現象を使って信号対雑音比を改善できることだ」とJayichは語った。
ダイヤモンドの固体状態性質は、真空チャンバーとレーザーを必要とする気相原子センサーよりも統合が容易である。チームは、これらのセンサーを用いて材料や生物系などの電子特性を探査することを目指しており、例えば原子からの小さな磁場を検出するための核磁気共鳴（NMR）などである。
投影雑音によって設定された標準量子限界を超えるため、研究者らはスピンスクイージングを採用し、量子状態を相関させて不確実性を低減する。Jayichは例えて、「センチメートル間隔の目盛りのあるメーター棒で何かを測ろうとするようなものだ...スクイージングにより—量子力学的相互作用を効果的に用いてそのメーター棒を『つぶす』ことで、より細かい目盛りを効果的に作成する。」
2番目のNature論文は、ノイズを追加せずに信号を強化する信号増幅を記述する。将来的に、Jayichはスクイージングを強化したり、位置をより精密に制御するための規則的なスピン配列を形成したりすることで、実際の実験で量子優位性を間もなく実証することを期待している。