Uma classe especial de sensores utiliza propriedades quânticas para medir sinais minúsculos em níveis que seriam impossíveis usando apenas sensores clássicos. Esses sensores quânticos estão sendo usados atualmente para estudar o funcionamento interno das células e as profundezas do nosso universo.

Os sensores quânticos de estado sólido são particularmente promissores, pois podem operar à temperatura ambiente. Infelizmente, a maioria dos sensores quânticos de estado sólido atuais mede apenas uma grandeza física por vez — como o campo magnético, a temperatura ou a deformação de um material. Tentar medir simultaneamente o campo magnético e a temperatura de um material faz com que seus sinais se misturem e as medições se tornem não confiáveis.

Pesquisadores do MIT criaram uma maneira de medir simultaneamente múltiplas grandezas físicas com um sensor quântico de estado sólido. Eles conseguiram isso explorando o emaranhamento quântico, fenômeno no qual as partículas se correlacionam em um único estado quântico. Em um novo artigo, a equipe demonstrou sua abordagem em um sensor quântico de uso comum, à temperatura ambiente, medindo a amplitude, a frequência e a fase de um campo de micro-ondas em uma única medição. Eles também mostraram que a abordagem funciona melhor do que medir sequencialmente cada propriedade ou usar sensores tradicionais.

Os pesquisadores afirmam que essa abordagem pode viabilizar sensores quânticos capazes de aprofundar nossa compreensão do comportamento de átomos e elétrons dentro de materiais e sistemas vivos, como células cancerígenas.

“Até o momento, a estimativa quântica de múltiplos parâmetros tem sido predominantemente teórica”, afirma Takuya Isogawa, coautor principal do artigo e estudante de pós-graduação em ciência e engenharia nuclear. “Houve muito poucos experimentos que a demonstraram na prática, e esses trabalhos se concentraram em fótons. Queríamos demonstrar a estimativa de múltiplos parâmetros em uma configuração mais voltada para aplicações práticas: um sensor quântico de estado sólido em uso atualmente.”

Além de Isogawa, o artigo conta com a colaboração dos coautores principais Guoqing Wang, PhD '23, e Boning Li, candidato a doutorado no MIT. Os demais autores são os ex-alunos visitantes do MIT Zhiyao Hu e Ayumi Kanamoto; Shunsuke Nishimura, candidato a doutorado na Universidade de Tóquio; Haidong Yuan, professor da Universidade Chinesa de Hong Kong; e Paola Cappellaro, professora titular da Cátedra Ford de Engenharia do MIT, professora de ciência e engenharia nuclear e de física, e membro do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica.

Sensores quânticos exploram efeitos quânticos como emaranhamento, estados de spin e superposição para medir mudanças em campos magnéticos, campos elétricos, gravidade, aceleração e muito mais. Dessa forma, podem ser usados para medir a atividade de moléculas individuais de maneiras úteis para a compreensão da biologia e do espaço, como o rastreamento da atividade de metabólitos ou enzimas dentro das células.

Um sensor particularmente útil em biologia utiliza os chamados centros de nitrogênio-vacância (NV) em diamantes, um defeito no qual um átomo de carbono na rede cristalina do diamante é substituído por um átomo de nitrogênio, e um sítio vizinho da rede está ausente, ou vago. O defeito abriga um spin eletrônico cujas frequências de transição podem ser lidas opticamente. O estado de spin do centro NV é extremamente sensível a efeitos externos, como campos magnéticos e temperatura, que podem alterar o estado de spin de maneiras que podem ser medidas com altíssima resolução.

Infelizmente, diferentes efeitos externos alteram as ressonâncias de energia do spin de maneiras semelhantes, dificultando a medição de múltiplos efeitos simultaneamente. O resultado é que a maioria das aplicações de sensores quânticos de estado sólido mede apenas uma grandeza física por vez.

“Se você só pode medir uma grandeza por vez, precisa repetir os experimentos para medir as grandezas uma a uma”, diz Isogawa. “Isso leva mais tempo, o que significa menos sensibilidade. Também torna os experimentos mais suscetíveis a erros.”

Para o experimento, os pesquisadores utilizaram centros NV dentro de um diamante de 5 milímetros quadrados. Eles apontaram um laser para o diamante e estudaram sua fluorescência para realizar as medições, uma abordagem comum para esses sensores. Para estudar o spin eletrônico do centro NV, utilizaram uma antena de micro-ondas. Para estudar o spin do átomo de nitrogênio, utilizaram um campo de radiofrequência.

“Usamos esses dois spins como dois qubits”, diz Isogawa, referindo-se aos blocos de construção dos sistemas de computação quântica. “Se você tiver apenas um qubit, só poderá medir um resultado: basicamente, 0 ou 1. É a probabilidade de ele girar para cima ou para baixo. Pense nisso como jogar uma moeda para o ar, com a probabilidade de sair cara ou coroa. Com dois qubits, aumentamos os parâmetros que pudemos extrair.”

O sistema funcionou porque os spins do qubit sensor e do qubit auxiliar estavam emaranhados, uma propriedade quântica onde o estado de uma partícula depende de outra. Com um qubit, você obtém um resultado binário. Com dois, você obtém quatro resultados possíveis com um total de três parâmetros possíveis.

Os dois qubits permitiram aos pesquisadores medir essas três grandezas simultaneamente, usando uma técnica conhecida como medição do estado de Bell.

Outros pesquisadores já haviam utilizado a medição do estado de Bell em temperaturas extremamente baixas, mas os pesquisadores do MIT desenvolveram uma nova técnica para realizar a medição à temperatura ambiente. Essa técnica foi proposta inicialmente por Wang, que anteriormente era aluno de pós-graduação no laboratório do Professor Cappellaro.

Os pesquisadores utilizaram essa abordagem para medir simultaneamente a amplitude, o desajuste e a fase de um campo magnético de micro-ondas. Eles também afirmam que a abordagem pode ser usada para medir campos elétricos, temperatura, pressão e deformação.

“Medir esses parâmetros simultaneamente pode nos ajudar a explorar ondas de spin em materiais, um tópico importante na física da matéria condensada”, diz Isogawa. “Os sensores de centro NV têm resolução espacial e versatilidade extremamente altas. Eles podem medir uma grandeza física diferente.”

Os pesquisadores afirmam que este trabalho representa um passo importante para a utilização de sensores quânticos de estado sólido na caracterização mais completa de sistemas em pesquisas biomédicas e na caracterização de materiais. Isso porque a estimativa de múltiplos parâmetros nunca havia sido alcançada em cenários realistas ou em sensores quânticos amplamente utilizados.

Embora os pesquisadores afirmem que seu sensor não mediu cada grandeza com a máxima precisão possível, em trabalhos futuros eles planejam explorar se sua abordagem pode alcançar maior precisão para cada parâmetro.

Eles também planejam explorar como sua abordagem funciona para caracterizar materiais heterogêneos.

“Em um ambiente extremamente uniforme, você poderia usar muitos sensores clássicos e quânticos diferentes e medir cada grandeza física simultaneamente”, diz Isogawa. “Mas se as grandezas físicas mudam em locais diferentes, você precisa de sensores com alta resolução espacial e de um sensor que possa medir múltiplas grandezas físicas. Essa abordagem tem grandes vantagens em tais situações.”

Este trabalho foi financiado, em parte, pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA, pela Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia e pelo Conselho de Bolsas de Pesquisa de Hong Kong.