Físicos da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, desenvolveram sistemas de spins entrelaçados em diamante que superam os limites de sensoriamento clássico usando squeezing quântico. Este avanço, liderado por Ania Jayich e com trabalho de Lillian Hughes, permite sensores quânticos mais poderosos e compactos para aplicações no mundo real. A conquista é detalhada em três artigos científicos recentes.
A pesquisa na UC Santa Barbara foca em diamante cultivado em laboratório como material chave para tecnologias quânticas. Ania Jayich, a Bruker Endowed Chair in Science and Engineering e codiretora do NSF Quantum Foundry, lidera uma equipe que estuda imperfeições em escala atômica conhecidas como qubits de spin em diamante para sensoriamento quântico avançado.
Lillian Hughes, que recentemente concluiu seu Ph.D. e está se mudando para o Caltech para trabalho pós-doutoral, liderou um avanço importante. Por meio de três artigos coautorados—um publicado na Physical Review X em março de 2025 e dois na Nature em outubro de 2025—Hughes mostrou que ensembles bidimensionais de defeitos quânticos podem ser organizados e entrelaçados dentro do diamante. Isso marca um marco para sistemas de estado sólido que oferecem uma vantagem quântica mensurável em sensoriamento.
"Podemos criar uma configuração de spins de centros de vacância-nitrogênio (NV) nos diamantes com controle sobre sua densidade e dimensionalidade, de modo que eles sejam densamente compactados e confinados em profundidade em uma camada 2D," explicou Hughes. "E porque podemos projetar como os defeitos estão orientados, podemos engenhá-los para exibir interações dipolares não zero."
Um centro NV apresenta um átomo de nitrogênio substituindo um átomo de carbono e uma vacância adjacente. Jayich observou: "O defeito do centro NV tem algumas propriedades, uma das quais é um grau de liberdade chamado spin—um conceito fundamentalmente quântico mecânico. No caso do centro NV, o spin é muito duradouro. Esses estados de spin de longa duração tornam os centros NV úteis para sensoriamento quântico."
Diferente de experimentos anteriores com spins individuais ou ensembles não interativos, este trabalho aproveita ensembles densos de spins fortemente interativos. "O que há de novo aqui é que... podemos realmente aproveitar o comportamento coletivo, que fornece uma vantagem quântica extra, permitindo-nos usar os fenômenos de entrelaçamento quântico para obter melhores razões sinal-ruído," disse Jayich.
A natureza de estado sólido do diamante o torna mais fácil de integrar do que sensores atômicos em fase gasosa, que requerem câmaras de vácuo e lasers. A equipe visa usar esses sensores para sondar propriedades eletrônicas de materiais e sistemas biológicos, como na ressonância magnética nuclear (NMR) para detectar pequenos campos magnéticos de átomos.
Para superar o limite quântico padrão definido pelo ruído de projeção, os pesquisadores empregam squeezing de spin, que correlaciona estados quânticos para reduzir a incerteza. Jayich analogizou: "É como se você estivesse tentando medir algo com uma régua métrica tendo graduações separadas por um centímetro... Ao fazer squeezing—você efetivamente usa interações quânticas mecânicas para 'esmagar' essa régua, criando efetivamente graduações mais finas."
O segundo artigo da Nature descreve amplificação de sinal para fortalecer sinais sem adicionar ruído. Olhando para o futuro, Jayich antecipa demonstrar vantagem quântica em experimentos práticos em breve, aprimorando o squeezing ou formando arrays de spins regulares para controlar posições com mais precisão.