The Signal
I ricercatori estendono la memoria degli spin NV a 565 microsecondi
Un gruppo guidato da ricercatori dell’Università di Ulm riferisce di aver esteso la durata della memoria di coerenza in un insieme di centri NV nel diamante da 49 a 565 microsecondi. La sequenza di impulsi migliora anche il rilevamento di d
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«Dimostriamo sperimentalmente un miglioramento del contrasto del segnale e un aumento di un ordine di grandezza del tempo di memoria con la sequenza ottimale, rispetto alla sequenza XY8 ampiamente utilizzata con impulsi rettangolari standard.»
Rajan Paul et al., «Optimized Dynamical Decoupling for Spin Ensembles with Large Inhomogeneities»
Il risultato degli autori, pubblicato su arXiv il 29 ottobre, deriva dalla modifica della forma e della sequenza degli impulsi di controllo a microonde, non da una modifica del diamante. In un insieme di centri azoto-lacuna (NV) con carica negativa, il loro protocollo migliore preserva la coerenza degli spin per 565 microsecondi, contro i 49 microsecondi ottenuti con la nota sequenza XY8 e impulsi rettangolari standard.
Lo studio è firmato da Rajan Paul, Genko Genov, Oliver Schmid e Fedor Jelezko dell’Università di Ulm, insieme a Shinobu Onoda, Yutaka Kobayashi e Junichi Isoya, affiliati tra l’altro a istituti di ricerca giapponesi e a Sumitomo Electric Industries. Il lavoro mette alla prova il disaccoppiamento dinamico: inversioni degli spin temporizzate per sopprimere i disturbi provenienti dall’ambiente circostante. In un insieme di centri, le differenze nell’intensità del campo a microonde e nella frequenza di risonanza fanno sì che impulsi nominalmente identici possano avere effetti diversi sui singoli spin.
Perché XY8 ha perso coerenza nell’insieme
L’esperimento ha utilizzato un insieme di centri nel diamante in condizioni ambientali, con un campo magnetico di polarizzazione di 1,1 millitesla. I ricercatori hanno misurato una deviazione standard del 27% nell’ampiezza del campo di pilotaggio a microonde attraverso l’insieme, una fonte di errore degli impulsi che si accumula man mano che una sequenza applica più inversioni degli spin. Con impulsi rettangolari standard nella sequenza XY8, il tempo di memoria misurato era di circa 49 microsecondi.
Il gruppo ha confrontato questo valore di riferimento con sequenze a fase regolata, impulsi dalla forma variata gradualmente e impulsi a passaggio adiabatico rapido (RAP). Il RAP modifica sia l’ampiezza sia la frequenza dell’impulso, facendo attraversare al segnale di pilotaggio la risonanza, in modo che gli spin possano invertirsi anche quando i singoli centri sono soggetti a intensità di pilotaggio o scostamenti di frequenza diversi. Il gruppo ha combinato questi impulsi con KDD16, una sequenza in cui le fasi degli impulsi sono organizzate per compensare gli errori di controllo.
KDD16-RAP ha raggiunto 565 microsecondi
KDD16 abbinata agli impulsi RAP ha prodotto il tempo di coerenza più lungo misurato: 565 microsecondi, oltre 11 volte il risultato di 49 microsecondi ottenuto con XY8. Anche altri interventi hanno migliorato la misura. KDD16 con impulsi sinusoidali ha raggiunto 262 microsecondi, mentre con impulsi di forma parabolica ha raggiunto 251 microsecondi; la combinazione con RAP ha più che raddoppiato il risultato degli impulsi sinusoidali.
Il RAP ha inoltre aumentato il contrasto in una misura separata delle oscillazioni di Rabi, dal 17,84% con il pilotaggio standard al 24,5%. Il confronto è distinto dalla misura del tempo di memoria, ma indica un miglioramento del controllo sull’intero insieme. I ricercatori hanno ottimizzato la durata del RAP portandola a circa un microsecondo e hanno scelto una scansione di frequenza di 7,5 megahertz per gli esperimenti successivi; una scansione più ampia, di 20 megahertz, ha dato un contrasto di Rabi più elevato, ma non la coerenza più lunga.
Migliora il rilevamento di campi deboli, con un compromesso
Il gruppo ha testato la sequenza su un campo magnetico alternato applicato. Con KDD16-RAP è riuscito a distinguere un segnale impostato a −35 dBm dalla curva di decadimento in assenza di segnale; nella loro configurazione, XY8 standard richiedeva circa −15 dBm per ottenere una distinzione comparabile. Questi valori descrivono l’impostazione della potenza del segnale di prova, non una soglia universale di rilevamento del campo magnetico.
L’esperimento mostra anche un limite al significato di «tempo di memoria» in questo contesto. Il valore di 565 microsecondi è una misura del decadimento della coerenza sotto una particolare sequenza di impulsi, non la dimostrazione di un dispositivo capace di memorizzare e recuperare stati quantistici arbitrari. Lo studio osserva che una misura CPMG raggiunge un limite di rilassamento di 902 microsecondi, ma CPMG perde fedeltà per stati iniziali arbitrari e non è adatta al compito di rilevamento dell’ampiezza del gruppo.
Per questo insieme di centri nel diamante, il risultato individua nell’eterogeneità del campo di controllo e negli errori degli impulsi, non nelle interazioni spin-spin, i principali ostacoli esaminati: le sequenze progettate per annullare le interazioni spin-spin hanno dato risultati peggiori di KDD16 e delle alternative correlate. La conclusione del gruppo è quindi specifica e pratica: nelle sue condizioni operative di 1,1 millitesla, l’abbinamento del passaggio adiabatico rapido con KDD16 ha aumentato il tempo di coerenza misurato da 49 a 565 microsecondi, migliorando al contempo la sensibilità a un debole campo di prova.