Допустим, вы заметили внезапное падение температуры на термометрах вашего патио и кухни. Сначала вы думаете, что это из-за похолодания, поэтому увеличиваете температуру в своем доме. Затем вы понимаете, что, хотя снаружи действительно стало холоднее, внутри кто-то оставил дверцу холодильника открытой.

Изначально вы думали, что перепады температуры коррелируют. Позже вы увидели, что это не так.

Распознавание того, когда показания коррелируют, важно не только для счета за отопление вашего дома, но и для всей науки. Это особенно сложно при измерении свойств атомов.

Теперь ученые разработали метод, о котором сообщается в Наука, что позволяет им видеть, коррелируют ли магнитные поля, обнаруживаемые парой квантовых датчиков атомного масштаба, или нет.

"Насколько я знаю, это то, чего люди не пытались сделать, и именно поэтому мы видим эти корреляции там, где никто другой не смог. Вы действительно выигрываете от этого". - Шимон Колковиц, Университет Висконсин-Мэдисон

Исследование было частично поддержано Q-NEXT, Национальным исследовательским центром квантовой информатики Министерства энергетики США (DOE), возглавляемым Аргоннской национальной лабораторией DOE.

Способность различать автономные и коррелированные среды в атомном масштабе может оказать огромное влияние на медицину, навигацию и науку об открытиях.

Что случилось

Команда ученых из Принстонского университета и Университета Висконсин-Мэдисон разработала и продемонстрировала новый метод определения того, коррелируют ли магнитные поля, регистрируемые несколькими квантовыми датчиками, друг с другом или независимы.

Команда сосредоточилась на типе датчика на основе алмаза, называемом азотно-вакантным центром, или NV-центром, который состоит из атома азота рядом с отверстием размером с атом в кристалле атомов углерода, составляющих алмаз.

Как правило, ученые измеряют напряженность магнитного поля в одном центре NV путем усреднения нескольких показаний. Или же они могли бы получить среднее значение сразу по многим NV-центрам.

Хотя средние значения и полезны, они дают не так много информации. Знание того, что завтра средняя температура в Висконсине составит 42 градуса по Фаренгейту, мало что говорит вам о том, насколько холоднее будет ночью или в северной части штата.

"Если вы хотите узнать не только величину магнитного поля в одном месте или в один момент времени, но и существует ли взаимосвязь между магнитным полем в одном месте и магнитным полем в другом поблизости - на самом деле не было хорошего способа сделать это с помощью этих NV-центров," сказал соавтор статьи Шимон Колковиц, адъюнкт-профессор Университета Висконсин-Мэдисон и сотрудник Q-NEXT.

Новый метод команды использует многократные одновременные показания двух NV-центров. Используя сложные методы вычислений и обработки сигналов, они получили информацию о взаимосвязи между магнитными полями в обеих точках и могли сказать, были ли эти два показания получены из одного и того же источника.

"Они видели одно и то же магнитное поле? Видели ли они другое магнитное поле? Это то, что мы можем получить из этих измерений", - сказал Колковиц. ?"Это полезная информация, к которой раньше ни у кого не было доступа. Мы можем определить разницу между глобальным полем, которое видели оба датчика, и тем, которое было локальным".

Почему это имеет значение

Квантовые датчики используют квантовые свойства атомов или атомоподобных систем для улавливания крошечных сигналов - таких как магнитные поля, возникающие в результате движения одиночных электронов. Эти поля ничтожны: в 100 000 раз слабее, чем у магнита на холодильник. Только сверхчувствительные инструменты, такие как квантовые датчики, могут проводить измерения в мельчайших природных масштабах.

Ожидается, что квантовые датчики будут мощными. Центры NV, например, могут различать объекты, разделенные всего одной десятитысячной ширины человеческого волоса. С такой возможностью гиперзумирования центры NV можно было бы поместить в живые клетки, чтобы изнутри, с близкого расстояния посмотреть, как они функционируют. Ученые могли бы даже использовать их для точного определения причин заболеваний.

"Что делает NVS особенными, так это их пространственное разрешение", - сказал Колковиц. ?"Это полезно для визуализации магнитных полей экзотического материала или для изучения структуры отдельных белков".

С помощью нового метода, разработанного командой Колковица для измерения напряженности магнитного поля в нескольких точках одновременно, ученые однажды смогут составить карту изменений магнетизма на атомном уровне во времени и пространстве.

Как это работает

Как команда провела эти информативные измерения? Они стали зернистыми.

Вместо усреднения по многим необработанным значениям для получения общей напряженности магнитного поля исследователи отслеживали индивидуальные показания в каждом центре NV, а затем применили математический маневр, называемый "ковариацией", к двум спискам.

Сравнение рассчитанных с помощью ковариации цифр, которые отражают больше деталей, чем пара необработанных средних, позволяет им увидеть, были ли поля коррелированы.

"Мы проводим это усреднение иначе, чем то, что делалось в прошлом, поэтому мы не теряем эту информацию в процессе усреднения", - сказал Колковиц. "Это часть того, что здесь особенного".

Так почему же ковариационная магнитометрия, как называется этот метод, до сих пор не была протестирована?

Во-первых, команде пришлось создать экспериментальную установку для проведения одновременных измерений в нескольких центрах NV. Этот микроскоп был создан командой из Принстона во главе с профессором Натали де Леон, членом Центра совместного проектирования Quantum Advantage, другого Национального исследовательского центра квантовой информатики DOE, возглавляемого Брукхейвенской национальной лабораторией.

С другой стороны, ковариационная магнитометрия работает только тогда, когда индивидуальные измерения этих крошечных магнитных полей являются высоконадежными. (Показания хороши ровно настолько, насколько соответствуют их измерениям.) Вот почему исследователи использовали специальную технику, называемую преобразованием спина в заряд, которая дает необработанные показания с большим количеством информации о магнитном поле для каждого измерения, чем другие обычно используемые инструменты.

При преобразовании спина в заряд индивидуальные измерения занимают больше времени. Это цена, которую ученые платят за более высокую надежность.

Однако в сочетании с ковариацией для измерения крошечных коррелированных магнитных полей это экономит уйму времени.

"Используя обычный метод, вам пришлось бы усреднять в течение полных 10 дней непрерывно, чтобы получить один фрагмент данных, подтверждающий, что вы видели этот коррелированный сигнал nanotesla", - сказал Колковиц. ?"В то время как с этим новым методом это займет час или два".

Интегрируя ковариационную информацию с преобразованием спина в заряд, исследователи могут получить доступ к атомным и субатомным деталям, которых у них раньше не было, расширяя и без того мощные возможности квантового зондирования.

"Насколько я знаю, это то, чего люди не пытались делать, и именно поэтому мы видим эти корреляции там, где никто другой не смог", - сказал Колковиц. ? "Ты действительно выигрываешь от этого".

Эта работа была поддержана Национальным исследовательским центром квантовой информатики Министерства образования США в рамках центра Q-NEXT, Национальным научным фондом, Принстонской инициативой по катализу, Министерством образования, Управлением науки, Управлением фундаментальных энергетических наук, постдокторской стипендией Принстонской квантовой инициативы и постдокторантурой Разведывательного сообщества. Программа исследовательских стипендий Окриджского института науки и образования в рамках межведомственного соглашения между Министерством энергетики США и Канцелярией директора национальной разведки.