El entrelazamiento cuántico es un recurso para la computación, las comunicaciones seguras y las mediciones de ultra precisión. En estado sólido, suele obtenerse en diamante o carburo de silicio, pero los materiales bidimensionales ofrecen a los sensores cuánticos una resolución espacial sin precedentes: una sonda de barrido sobre un único defecto en una capa de hBN alcanzó 1 nanómetro, un orden de magnitud mejor que los análogos de diamante. Junto a este trabajo, en el archivo hay estudios sobre el entrelazamiento cuántico como geometría, el calor específico como detector de entrelazamiento en el tiempo y fotones entrelazados en fibra óptica; todos avanzan en la búsqueda de plataformas prácticas para tecnologías cuánticas. Sin embargo, entrelazar espines en el propio hBN no se había logrado hasta ahora: el denso entorno nuclear destruía la coherencia del espín electrónico en cientos de nanosegundos.
El defecto de espín se creó implantando iones de carbono-13 en un cristal de hBN, seguido de un recocido a alta temperatura. Un mapa confocal de fotoluminiscencia reveló un emisor único, y la medición de correlación de fotones confirmó su carácter individual (g(2)(0)=0,21). El defecto resultó ser un par de espines electrónicos separados por varios nanómetros; uno de ellos está fuertemente acoplado al espín nuclear del carbono-13, lo que permitió aislar un subsistema de dos cúbits con cuatro niveles. El espín electrónico se controló con pulsos de microondas en frecuencias separadas por 290 MHz, y el nuclear con pulsos de radiofrecuencia a 141 y 145 MHz en un campo magnético de 73,5 mT. Para prolongar la coherencia se aplicó la secuencia Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) con hasta 1024 pulsos π de refocalización. Los estados entrelazados se prepararon con compuertas no locales y luego se reconstruyó la matriz de densidad mediante tomografía cuántica.
La coherencia del espín electrónico aumentó de 141 ns (eco de Hahn) a 38±10 μs con 1024 pulsos de refocalización, un récord para hBN a temperatura ambiente. La dependencia del tiempo de coherencia con el número de pulsos sigue una ley de potencias con exponente 0,77±0,09, lo que indica el predominio de ruido que fluctúa lentamente. Los cuatro estados de Bell máximamente entrelazados se prepararon con una fidelidad de hasta 0,89 (para el estado Ψ+). El espín nuclear se utilizó como memoria cuántica en espectroscopia de correlación de un campo magnético alterno: la señal se mantuvo hasta 1 ms, muy por encima del tiempo de relajación del espín electrónico (alrededor de 130 μs). El análisis de Fourier de la señal prolongada dio una resolución espectral de 0,7±0,2 kHz, siete veces mejor que sin memoria.
El trabajo demuestra por primera vez el entrelazamiento de cúbits de espín en un material bidimensional a temperatura ambiente, lo que sitúa al hBN a la par del diamante y el carburo de silicio como plataforma para tecnologías cuánticas. A diferencia de los estudios vecinos, dedicados a la interpretación geométrica del entrelazamiento o al calor específico como su detector, aquí el entrelazamiento se obtuvo y se utilizó de forma práctica: el espín nuclear sirve como memoria de larga duración y el electrónico como interfaz óptica rápida. Es la primera vez que una memoria cuántica basada en un espín nuclear en hBN mejora la sensibilidad de un sensor de campo magnético alterno, confirmando la idoneidad de los materiales bidimensionales para dispositivos cuánticos híbridos.
La continuación natural es escalar a varios espines nucleares para crear un registro cuántico y lograr entrelazamiento multi-espín. Aumentar el número de pulsos de refocalización y optimizar la composición isotópica del hBN podría prolongar aún más la coherencia. La integración de estos defectos en heteroestructuras de van der Waals permitiría construir sensores cuánticos con resolución atómica para estudiar el magnetismo bidimensional, los potenciales de moiré y el entrelazamiento de muchas partículas en nuevos materiales.
El resultado influirá en la sensorica cuántica, la computación cuántica con cúbits de estado sólido y las redes cuánticas, donde se necesitan nodos de espín compatibles con fotones. Los sensores bidimensionales basados en hBN podrían encontrar aplicación en ciencia de materiales para mapear campos magnéticos con resolución nanométrica.
Verificar el entrelazamiento entre varios espines nucleares de un mismo defecto y medir el tiempo de vida de los estados entrelazados. Investigar defectos con acoplamiento hiperfino más fuerte para acelerar las compuertas y aumentar la fidelidad.
Para la sensorica cuántica sigue abierta la cuestión del límite de sensibilidad a temperatura ambiente: el ruido del entorno nuclear limita la coherencia, y el trabajo muestra que el desacoplamiento dinámico y la memoria cuántica mitigan, pero no eliminan, este problema. También sigue sin resolverse el desafío de escalar el entrelazamiento a decenas de cúbits en estado sólido sin pérdida de fidelidad.
Esta sección está dirigida al autor del trabajo y a sus colegas. Los trabajos vecinos los encontró la búsqueda por significado en nuestro archivo, no por coincidencia de palabras. No evaluamos: mostramos el campo alrededor.
Qué hace el trabajo
El trabajo demuestra el entrelazamiento cuántico entre el espín electrónico y el espín nuclear en hBN a temperatura ambiente. Mediante la implantación de carbono-13, los autores crearon un sistema de dos cúbits, extendieron la coherencia del espín electrónico a 38 μs mediante CPMG, prepararon estados de Bell con una fidelidad de 0,89 y utilizaron el espín nuclear como memoria para espectroscopía de correlación con una resolución de 0,7 kHz.
Dónde está su fuerza
La coherencia récord en hBN a temperatura ambiente y la demostración de entrelazamiento con memoria nuclear abren el camino hacia sensores cuánticos escalables basados en materiales bidimensionales.
Hacia dónde puede avanzar
Vale la pena probar
Por qué puede importar
Este resultado acerca los sensores cuánticos a aplicaciones prácticas en biología y ciencia de materiales, gracias al grosor atómico del hBN y su funcionamiento a temperatura ambiente.
Trabajos cercanos en nuestro archivo
El archivo está vacío alrededor de este trabajo: el análisis más cercano queda en 0.56, frente a un 0.64 habitual. Parece que aquí al lado casi nadie ha perforado.
El tiempo de coherencia del espín electrónico tras el desacoplamiento dinámico (38 μs) es 270 veces mayor que el original (141 ns). Si un automóvil aumentara su autonomía en la misma proporción, pasaría de 5 km a 1350 km.
La idea de una memoria cuántica basada en un espín nuclear recuerda al concepto de "ancila" de la ciencia ficción: un objeto cuántico auxiliar que almacena información mientras el cúbit principal interactúa con el entorno. En la novela "Cuarentena" de Greg Egan, los estados cuánticos se utilizan como recurso computacional; aquí, el espín nuclear desempeña ese papel de "búfer" para el sensor electrónico.