Попытка пересчитать людей в тёмной комнате по звуку дыхания упирается в общий шум — отдельных вдохов не слышно. Похожая задача стоит перед учёными, которые работают с квантовыми спинами в твёрдых телах. Каждый спин (магнитный момент электрона) обладает своим «голосом», но его заглушает технический шум приборов.
В новой работе физики изучали NV-центры — дефекты кристаллической решётки алмаза, где атом углерода заменён азотом, а соседний узел пустует. Такие центры ведут себя как крошечные магнитики, и их состояние можно считывать светом. Ключевая хитрость эксперимента — метод оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР) с контрастом более 20% для одной кристаллографической ориентации спинов. Такого результата добились, комбинируя поляризационно-селективное оптическое возбуждение и конверсию спина в заряд. Иными словами, лазер настроили так, чтобы он «опрашивал» только спины с определённой ориентацией и не замечал остальные.
В итоге проекционный шум напрямую измерили в ансамблях, содержащих до 43 спинов, и по флуктуациям сигнала буквально сосчитали их количество. Это похоже на то, как если бы число людей в комнате определили по едва заметным колебаниям общего шума, а не по громкости хора. Такой подход обещает серьёзный выигрыш в чувствительности магнитометров на основе NV-центров — и всё это при комнатной температуре, без громоздких криостатов и сильных магнитных полей.
NV-центры в алмазе настолько стабильны, что могут хранить квантовую информацию при комнатной температуре дольше секунды — вечность по меркам квантового мира.