Nova técnica de detecção quântica revela conexões magnéticas: inovação combina processamento computacional e de sinal

Digamos que você perceba uma queda repentina de temperatura nos termômetros do pátio e da cozinha. A princípio, você acha que é por causa de uma onda de frio, então aumenta o calor em sua casa. Então você percebe que, embora o lado de fora tenha realmente ficado mais frio, por dentro, alguém deixou a porta da geladeira aberta.

Inicialmente, você pensou que as quedas de temperatura estavam correlacionadas. Mais tarde, você viu que não eram.

Reconhecer quando as leituras estão correlacionadas é importante não apenas para sua conta de aquecimento doméstico, mas para toda a ciência. É especialmente desafiador ao medir as propriedades dos átomos.

Agora os cientistas desenvolveram um método, relatado em Ciênciaque lhes permite ver se os campos magnéticos detectados por um par de sensores quânticos em escala atômica estão correlacionados ou não.

“Até onde eu sei, isso é algo que as pessoas não tentaram fazer, e é por isso que vemos essas correlações onde ninguém mais conseguiu. Você realmente ganha com isso.” — Shimon Kolkowitz, Universidade de Wisconsin-Madison

A pesquisa foi apoiada em parte pelo Q-NEXT, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do Departamento de Energia (DOE) liderado pelo Laboratório Nacional Argonne do DOE.

A capacidade de distinguir entre ambientes autônomos e correlacionados na escala atômica pode ter impactos enormes na medicina, navegação e ciência da descoberta.

O que aconteceu

Uma equipe de cientistas da Universidade de Princeton e da Universidade de Wisconsin-Madison desenvolveu e demonstrou uma nova técnica para descobrir se os campos magnéticos captados por vários sensores quânticos são correlacionados entre si ou independentes.

A equipe se concentrou em um tipo de sensor baseado em diamante chamado centro de vacância de nitrogênio, ou centro NV, que consiste em um átomo de nitrogênio próximo a um orifício do tamanho de um átomo no cristal de átomos de carbono que compõem o diamante.

Normalmente, os cientistas medem a força do campo magnético em um único centro NV calculando a média de várias leituras. Ou eles podem fazer uma leitura média de muitos centros NV de uma só vez.

Embora úteis, os valores médios fornecem pouca informação. Saber que a temperatura média em Wisconsin será de 42 graus Fahrenheit amanhã diz pouco sobre quanto mais frio estará à noite ou na parte norte do estado.

“Se você quiser aprender não apenas o valor do campo magnético em um local ou em um ponto no tempo, mas se existe uma relação entre o campo magnético em um local e o campo magnético em outro próximo – não havia realmente uma boa maneira de fazer isso com esses centros NV”, disse o coautor do artigo Shimon Kolkowitz, professor associado da Universidade de Wisconsin-Madison e colaborador do Q-NEXT.

O novo método da equipe usa várias leituras simultâneas de dois centros NV. Usando técnicas sofisticadas de computação e processamento de sinais, eles obtiveram informações sobre a relação entre os campos magnéticos em ambos os pontos e puderam dizer se as duas leituras resultaram da mesma fonte.

“Eles estavam vendo o mesmo campo magnético? Eles estavam vendo um campo magnético diferente? Isso é o que podemos obter dessas medições”, disse Kolkowitz. “É uma informação útil que ninguém tinha acesso antes. Podemos dizer a diferença entre o campo global que ambos os sensores estavam vendo e aqueles que eram locais.”

Por que isso importa

Os sensores quânticos aproveitam as propriedades quânticas de átomos ou sistemas semelhantes a átomos para captar pequenos sinais – como os campos magnéticos decorrentes do movimento de elétrons individuais. Esses campos são insignificantes: 100.000 vezes mais fracos do que um imã de geladeira. Somente ferramentas ultrassensíveis, como sensores quânticos, podem fazer medições nas menores escalas da natureza.

Espera-se que os sensores quânticos sejam poderosos. Os centros NV, por exemplo, podem distinguir características separadas por apenas um décimo de milésimo da largura de um fio de cabelo humano. Com esse tipo de capacidade de hiperzoom, os centros NV podem ser colocados em células vivas para uma visão interna e de perto de como funcionam. Os cientistas podem até usá-los para identificar as causas da doença.

“O que torna os NVs especiais é sua resolução espacial”, disse Kolkowitz. “Isso é útil para visualizar os campos magnéticos de um material exótico ou ver a estrutura de proteínas individuais.”

Com o novo método da equipe de Kolkowitz para detectar as intensidades do campo magnético em vários pontos simultaneamente, os cientistas poderão um dia mapear as mudanças no nível do átomo no magnetismo ao longo do tempo e do espaço.

Como funciona

Como a equipe fez essas medições informativas? Eles ficaram granulados.

Em vez de calcular a média de muitos valores brutos para chegar à força geral do campo magnético, os pesquisadores acompanharam as leituras individuais em cada centro NV e, em seguida, aplicaram uma manobra matemática chamada “covariância” às duas listas.

Comparando os números calculados pela covariância – que capturam mais detalhes do que algumas médias brutas – eles podem ver se os campos estão correlacionados.

“Estamos fazendo essa média de forma diferente do que foi feito no passado, então não perdemos essa informação no processo de média”, disse Kolkowitz. “Isso é parte do que há de especial aqui.”

Então, por que a magnetometria de covariância, como o método é chamado, não foi testada antes?

Por um lado, a equipe teve que construir uma configuração experimental para fazer medições simultâneas em vários centros NV. Este microscópio foi construído pela equipe de Princeton, liderada pela professora Nathalie de Leon, membro do Co-Design Center for Quantum Advantage, outro DOE National Quantum Information Science Research Center, liderado pelo Brookhaven National Laboratory.

Por outro lado, a magnetometria de covariância funciona apenas quando as medições individuais desses minúsculos campos magnéticos são altamente confiáveis. (Uma leitura é tão boa quanto suas medições de contribuição.) É por isso que os pesquisadores usaram uma técnica especial chamada conversão spin-to-charge, que produz uma leitura bruta com mais informações sobre o campo magnético para cada medição do que outras ferramentas comumente usadas.

Com a conversão de rotação para carga, as medições individuais demoram mais. Esse é o preço que os cientistas pagam por maior confiabilidade.

No entanto, quando combinado com a covariância para medir campos magnéticos minúsculos e correlacionados, economiza muito tempo.

“Usando o método convencional, você teria que calcular a média de 10 dias completos continuamente para obter um dado para dizer que viu esse sinal de nanotesla correlacionado”, disse Kolkowitz. “Considerando que com este novo método, é uma ou duas horas.”

Ao integrar informações de covariância com conversão spin-para-carga, os pesquisadores podem obter acesso a detalhes atômicos e subatômicos que não tinham antes, sobrecarregando os já poderosos recursos de detecção quântica.

“Até onde eu sei, isso é algo que as pessoas não tentaram fazer, e é por isso que vemos essas correlações onde ninguém mais conseguiu”, disse Kolkowitz. “Você realmente ganha com isso.”

Este trabalho foi financiado pelo DOE Office of Science National Quantum Information Science Research Centers como parte do centro Q-NEXT, National Science Foundation, Princeton Catalysis Initiative, DOE, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Princeton Quantum Initiative Postdoctoral Fellowship e o Programa de Bolsas de Pesquisa de Pós-Doutorado da Comunidade de Inteligência pelo Oak Ridge Institute for Science and Education por meio de um acordo interinstitucional entre o Departamento de Energia dos EUA e o Escritório do Diretor de Inteligência Nacional.