Científicos cuánticos de UC Santa Bárbara realizarán NSF

A escala atómica y subatómica existen comportamientos que tienen un enorme potencial para mejorar la forma en que vemos e interactuamos con el mundo, mejorando las tecnologías actuales y potencialmente dando lugar a otras nuevas. La principal ventaja que se puede obtener del ámbito de la detección cuántica es su extrema sensibilidad y precisión, capaces de capturar las señales más débiles y medir en las escalas más pequeñas.

Ahora, varios investigadores de la UC Santa Bárbara están preparados para desplegar su experiencia en ciencia cuántica como parte del programa Quantum Sensing Challenges for Transformational Advances in Quantum Systems (QuSeC-TAQS) de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF) de EE. UU. Se unen a un grupo de 18 equipos de investigación en universidades de todo Estados Unidos, respaldados por una inversión de 29 millones de dólares de la NSF, para explorar formas de aprovechar las propiedades de escala cuántica infinitesimales y a veces contraintuitivas de la naturaleza para crear oportunidades a escala humana.

Cada uno de los equipos recibirá entre 1 y 2 millones de dólares durante cuatro años para realizar una amplia gama de actividades de investigación exploratoria. Los impactos potenciales son diversos, desde la capacidad de detectar ondas gravitacionales a medida que se propagan por el espacio hasta un medio para presenciar las funciones internas de las células vivas.

"Durante décadas, la exploración científica a escala cuántica ha producido descubrimientos sorprendentes sobre cómo funciona nuestro universo y posibilidades tentadoras para tecnologías cuánticas", dijo el director de la NSF, Sethuraman Panchanathan. "Ahora estamos dando el siguiente paso en la investigación cuántica a través de estos proyectos y otros, que combinan la investigación fundamental con aplicaciones potenciales que pueden impactar positivamente nuestras vidas, nuestra prosperidad económica y nuestra competitividad como nación".

Un magnetómetro óptico mejorado cuánticamente: Galan Moody y Paolo Pintus

Como sugiere el nombre, un magnetómetro mide un campo magnético y, al hacerlo, proporciona información importante sobre los objetivos en relación con ese campo. Una brújula es un dispositivo simple que revela información sobre la dirección en relación con el campo magnético de la Tierra. Los científicos continúan aprovechando el elegante poder de esa tecnología en una lista cada vez mayor de aplicaciones, desde la arqueología hasta la exploración espacial.

El profesor de ingeniería eléctrica e informática Galan Moody y el científico Paolo Pintus tienen como objetivo llevar la alta precisión de la detección cuántica a la magnetometría y construirlo todo en un chip. Pensemos en LIGO, el interferómetro láser que en 2015 detectó la más leve de las ondulaciones generadas por ondas gravitacionales que se originan a 1.300 millones de años luz de distancia. El equipo construirá un experimento de interferómetro análogo en un chip semiconductor que, en lugar de ondas gravitacionales, puede detectar las más mínimas variaciones en los campos magnéticos.

"En lugar de detectores de escala kilométrica, tenemos detectores de escala milimétrica", dijo Pintus, que se especializa en óptica integrada. Su propuesta de interferómetro magnetoóptico fotónico integrado no tendría precedentes en su sensibilidad (una mejora de 10 veces más allá del límite cuántico estándar) integrado en un dispositivo compacto y energéticamente eficiente que puede usarse para detectar campos magnéticos diminutos con aplicaciones para navegación, geociencias y biomedicina, así como exploración espacial.

La clave de este novedoso dispositivo de bajo SWaP (tamaño, peso y potencia) es el uso de luz cuántica. "Podemos aprovechar décadas de investigación y desarrollo para fabricar sensores magnetoópticos que no requieran ninguna otra instrumentación voluminosa, haciéndolos compactos y portátiles", dijo Moody, cuya experiencia radica en la fotónica cuántica. “Por lo general, estos sensores funcionan con láser, pero su sensibilidad tiene un límite. En cambio, utilizando luz comprimida (un tipo especial de fuente de luz cuántica que es menos ruidosa que un láser) podemos ir más allá de este límite”.

El uso de luz comprimida permite mediciones muy precisas de la fase de las ondas de luz en relación con el objetivo y, al mismo tiempo, reduce el ruido que fácilmente podría oscurecer las mediciones de alta precisión.

Como parte del proyecto, y en colaboración con socios de la Universidad de Cagliari en Italia y la profesora Caroline Ross del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), el equipo pretende contratar un becario postdoctoral para ayudar con la investigación y la educación. También colaborarán con colegas de la NASA, Luna Innovations y Raytheon.

"También nos gustaría difundir el conocimiento sobre las ciencias cuánticas a una audiencia más amplia", comentó Pintus, "tanto para la divulgación como para impartir clases dentro de los programas de la UCSB y el MIT". En el MIT, el equipo de investigación dirigido por Ross se centrará en desarrollar materiales que puedan albergar las cualidades deseadas de sensibilidad y bajo consumo de energía, mientras que Moody y Pintus trabajarán en la incorporación de luz exprimida y la fabricación del chip real, respectivamente, utilizando ese material. .

Nuevos algoritmos cuánticos para relojes atómicos ópticos: Andrew Jayich

Los relojes atómicos ópticos son el estándar de oro para el cronometraje; su capacidad para medir el tiempo a intervalos extremadamente finos los convierte en los instrumentos más precisos jamás fabricados. Basados ​​en las oscilaciones de la luz en las altas frecuencias correspondientes a las transiciones atómicas, estos relojes "tictan" mucho más rápido que los relojes atómicos convencionales, que funcionan en frecuencias de microondas, y están preparados para mejorar el cronometraje y la sincronización en muchas aplicaciones, al tiempo que permiten otras nuevas.

Para continuar desarrollando el potencial de estos relojes ultraprecisos, el profesor de física de la UC Santa Bárbara, Andrew Jayich, junto con Kenneth Brown (Universidad de Duke), Shimon Kolkowitz (UC Berkeley), David Leibrandt (UCLA) y Marianna Safronova (Universidad de Delaware) pretenden realizar nuevos Algoritmos cuánticos para redes de relojes ópticos. Estos algoritmos podrían permitir el uso de relojes ópticos como sensores, aprovechando sus capacidades de medición excepcionalmente finas para captar las señales más débiles del universo.

"A grandes rasgos, los relojes atómicos han utilizado el mismo algoritmo desde sus inicios", dijo Jayich, cuya especialidad de investigación radica en la medición de precisión con átomos y moléculas. "Y queremos explorar nuevas oportunidades ejecutándolas con algoritmos más avanzados, basados ​​en gran medida en los avances en la ciencia de la información cuántica durante las últimas dos décadas".

Utilizando herramientas desarrolladas para la ciencia de la información cuántica, el equipo pretende desarrollar algoritmos para optimizar los relojes atómicos ópticos para aplicaciones de detección. Su objetivo es maximizar la sensibilidad de los relojes a fenómenos específicos, como las ondas gravitacionales o la materia oscura, minimizando al mismo tiempo la sensibilidad a las fuentes de ruido. El trabajo algorítmico también podría ayudar a reducir su tamaño, peso y requisitos de energía, lo que podría ayudar a crear relojes ópticos transportables. El proyecto capacitará a estudiantes de pregrado y posgrado y académicos postdoctorales en la investigación interdisciplinaria a la vanguardia de la metrología cuántica, además de realizar actividades de extensión a estudiantes de secundaria para presentarles los relojes ópticos y la medición de precisión.

Los investigadores de UC Santa Bárbara también participarán en proyectos de detección cuántica liderados por otras universidades, que incluyen:

Sensores atómicos cuánticos compactos y robustos para cronometraje y detección inercial: Dan Blumenthal Lo que hace que los sensores cuánticos sean ideales (su asombrosa sensibilidad) también los hace vulnerables al ruido provocado por las temperaturas y los campos electromagnéticos. El distinguido profesor Daniel Blumenthal de ingeniería eléctrica e informática trabajará para superar estos obstáculos junto con colegas de la Universidad de Wisconsin-Madison (UW-Madison). Dirigido por la profesora de ingeniería eléctrica e informática de la UW-Madison, Jennifer Choy, el equipo también incluye a los profesores de la UW Mikhail Kats, Mark Saffman y Swamit Tannu.

¿El sensor cuántico elegido? Átomos fríos. Cuando los átomos se enfrían hasta casi el cero absoluto, adquieren ciertas propiedades cuánticas; El desafío para el equipo es habilitar sensores de átomos fríos que no solo sean compactos, sino también portátiles y robustos para el medio ambiente, utilizando tecnologías de integración fotónica desarrolladas en el laboratorio Blumenthal de la UCSB.

"Estamos entusiasmados de aplicar nuestra plataforma de integración fotónica de nitruro de silicio de pérdida ultrabaja de última generación a esta investigación", dijo Blumenthal, cuya experiencia radica en la fotónica de alto rendimiento de luz visible, láseres de ancho de línea ultraestrecho y la integración de átomos fríos y Sistemas de computación y sensores cuánticos. “En nuestro laboratorio aplicaremos nuestra plataforma complementaria de nitruro de silicio compatible con fundición de semiconductores de óxido metálico (CMOS) para diseñar, fabricar y probar láseres de ancho de línea ultra estrecho, cavidades de referencia en chips y circuitos fotónicos para enfriar y atrapar átomos de rubidio. y demostrar las funciones necesarias para miniaturizar un interferómetro de átomo de rubidio frío inercialmente sensible. Nos basaremos en nuestra reciente demostración exitosa de integración fotónica para generar átomos de rubidio fríos en una trampa magnetoóptica tridimensional (3DMOT)”.

Para miniaturizar estos sistemas y hacerlos más resistentes, el equipo planea desarrollar e integrar un conjunto de algoritmos y hardware a escala de chip fotónico, que comprende un "conjunto de herramientas de sensores cuánticos" que incluye láseres y ópticas, algoritmos cuánticos optimizados para la fusión y calibraciones de sensores. y aprovechamiento óptimo del entrelazamiento cuántico.

Estos sensores podrían usarse en dispositivos portátiles como acelerómetros y relojes atómicos que podrían usarse para tomar medidas en condiciones difíciles, como el espacio exterior o los polos, y que podrían guiar vehículos donde el GPS no esté disponible.

Plataforma de detección cuántica para análisis biomolecular: Ania Jayich

El fascinante y formidable poder de la detección cuántica está a punto de trasladarse a un mundo igualmente fascinante y formidable: nuestros propios cuerpos. Para ello, la física Ania Jayich desplegará su experiencia en el ámbito de los centros de vacantes de nitrógeno en diamantes junto con colegas de la Universidad de Chicago, la Universidad de Washington (UW) y la UCLA. ¿La meta? Una plataforma de detección cuántica para análisis biomolecular.

Un centro de vacantes de nitrógeno es una ubicación en una red de carbono perfecta en un diamante que consiste en un átomo de nitrógeno al lado de un lugar vacío. Este defecto puntual sirve como un pequeño sensor desde el cual los investigadores pueden observar comportamientos atómicos y subatómicos igualmente pequeños que se activan en respuesta a condiciones objetivo en las células.

"Un biosensor cuántico proporcionaría una visión más precisa de la estructura interna y la dinámica de las biomoléculas, marcando el comienzo de una nueva generación de ensayos de biología molecular que pueden detectar proteínas en concentraciones muy por debajo de los límites actuales", dijo Jayich, cuya investigación implica la obtención de imágenes de Efectos cuánticos a nanoescala. Dirigido por el profesor de ingeniería molecular de la UChicago, Peter Maurer, el equipo, formado también por Karoly Holczer (UCLA), Stefan Stoll (UW) y Alexander High (UChicago), tiene como objetivo desarrollar una plataforma que pueda controlar la concentración de miles de proteínas en la sangre y diferenciar entre la multitud de eventos de unión a proteínas. Al hacerlo, podrían allanar el camino para poder predecir enfermedades antes de su manifestación clínica.

Jayich trabajará en el desarrollo de sensores que muestren la coherencia cuántica necesaria cuando se coloquen muy cerca de muestras biológicas objetivo. En particular, se centrará en explorar múltiples sensores entrelazados e interactuantes para alcanzar la sensibilidad y la resolución espacial necesarias para la excelente tarea de detectar proteínas en concentraciones minúsculas.

Sonia FernandezRedactor científico sénior (805) [email protected]

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