Optimal control for duty-cycle-limited interferometry with single-NV centers

Het meten van de temperatuur binnen een levende cel zonder deze te beschadigen, is een van de moeilijkste uitdagingen in de moderne wetenschap. Om de hitte te kunnen zien die wordt gegenereerd door een enkele mitochondrie of een minuscule kankerbehandeling, hebben wetenschappers een thermometer nodig die kleiner is dan een virus, maar gevoelig genoeg om veranderingen kleiner dan één graad te detecteren. Jarenlang hebben onderzoekers geprobeerd stikstof-vacaturecentra te gebruiken — kleine defecten binnen diamanten die fungeren als atomaal-schaal kompassen — om dit probleem op te lossen. Deze defecten zijn bijzonder omdat hun interne staat verandert wanneer ze een magnetisch veld voelen, en aangezien temperatuur kan worden omgezet in een magnetisch veld, kunnen deze defecten als thermometers fungeren. Echter, wanneer wetenschappers probeerden hen te gebruiken in de natte, rommelige omgeving van een cel, stuitten ze op een dilemma. Het gebruik van veel defecten tegelijk creëert een wazig signaal, terwijl het gebruik van slechts één defect meestal een zeer fel, potentieel schadelijk laserlicht vereist om een duidelijke aflezing te krijgen.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gevonden om een duidelijkere aflezing te krijgen van een enkel diamantdefect zonder dat daar de schadelijke helderheid voor nodig is. Ze ontwikkelden een nieuwe methode om de interne staat van het defect te controleren met beheraan een reeks zorgvuldig getimede microgolfpulsen. Door deze pulsen in een specifiek patroon te rangschikken, waren zij in staat om meer informatie over de temperatuur uit elke meting te extraheren dan voorheen mogelijk werd geacht. Hun werk suggereert dat door te veranderen in hoe de meting wordt uitgevoerd, in plaats van alleen maar een betere sensor te bouwen, zij de precisie van deze nanoschaal thermometers met ongeveer vijfentwintig procent kunnen verbeteren. Deze verbetering is significant omdat het zorgt voor nauwkeurigere temperatuurmetingen in de delicate, lichtgevoelige omgevingen van de levende biologie, en dat terwijl ze dezelfde hoeveelheid licht gebruiken als voorheen.

Het verhaal begint met een slim apparaat dat warmte omzet in magnetisme. Stel je een minuscuul druppeltje van een speciale gel voor dat opzwelt als het warm wordt en krimpt als het afkoelt. Aan deze gel is een klein magneetje bevestigd. Terwijl de gel uitzet of krimpt, verandert de afstand tussen het magneetje en een enkel stikstof-vacaturecentrum in een nabijgelegen diamant. Omdat magnetische velden zeer snel zwakker worden naarmate je verder van hun bron beweegt, veroorzaakt zelfs een minieme verandering in afstand een grote verschuiving in het magnetische veld dat het diamantdefect voelt. Deze verschuiving fungeert als een signaal, dat het defect precies vertelt hoe heet de gel is. Deze opstelling is een vertaler in twee fasen: eerst zet de gel warmte om in beweging, en daarna zet het magneetje die beweging om in een magnetisch veld dat het diamantdefect kan lezen.

Het probleem met deze opstelling, zoals deze in het verleden is gebruikt, is dat wetenschappers meestal vertrouwden op een grote verzameling van deze diamantdefecten om een sterk genoeg signaal te krijgen. Maar wanneer je veel defecten dicht bij elkaar hebt gepakt nabij een magneet, is het magnetische veld niet uniform; het varieert lichtjes van het ene defect naar het andere. Deze variatie vertroebelt het signaal, vergelijkbaar met het proberen te luisteren naar een enkele stem in een drukke, lawaaierige kamer. Om dit op te lossen, stelden onderzoekers voor om slechts één defect te gebruiken. Echter, een enkel defect is erg zwak. Om het duidelijk te horen, moet je er doorgaans een zeer fel laserlicht op schijnen gedurende een lange tijd. In een levende cel kan die hoeveelheid licht de cel "koken" of het DNA beschadigen, waardoor de meting onmogelijk wordt. Bovendien is de standaardmanier om naar deze defecten te luisteren, bekend als Ramsey-interrogatie, niet erg efficiënt wanneer de omgeving ruisig is, wat altijd het geval is in een vloeibare biologische setting.

De onderzoekers in deze studie stelden een andere vraag: in plaats van te proberen het signaal luider te maken met meer licht, konden ze de meting slimmer maken? Ze behandelden het enkele defect als een kwantumcomputerbit en ontwierpen een nieuwe sequentie van microgolfpulsen om het te controleren. Denk aan het defect als een tollende tol. In de standaardmethode laat je de tol een tijdje vrij draaien en controleer je daarna de richting. In de nieuwe methode geven de onderzoekers de tol een reeks precieze tikken met een microgolfveld. Deze tikken laten de top niet alleen blijven draaien; ze vormen zijn pad door de ruimte. Het doel was om een patroon van tikken te vinden dat de top in staat stelt om gedurende een langere tijd informatie over de temperatuur te verzamelen voordat de natuurlijke ruis van de omgeving hem uit koers brengt.

Met behulp van krachtige computersimulaties testte het team miljoenen verschillende puls-patronen om te vinden welke het beste werkte. Ze ontdekten een specifieke strategie waarbij het defect gedurende het grootste deel van de meting in een stabiele, beschermde staat wordt gehouden, en pas aan het einde overgaat in een gevoelige staat om het resultaat te registreren. Dit is vergelijkbaar met het vasthouden van een delicaat instrument in een stabiele positie terwijl men wacht op een signaal, en het pas in positie brengen om de meting te verrichten op het allerlaatste moment. Deze aanpak beschermt de informatie tegen te worden weggespoeld door de ruis van de omgeving. De simulaties toonden aan dat deze nieuwe methode ongeveer vijfentwintig tot zevenentwintig procent meer informatie kan extraheren uit een enkele meting vergeleken met de beste standaardmethode.

Deze winst is niet slechts een theoretisch getal; het vertaalt zich direct naar betere prestaties. Omdat de nieuwe methode meer informatie per "schot" krijgt, betekent dit dat de temperatuur met grotere precisie gemeten kan worden voor dezelfde hoeveelheid licht die aan het monster wordt geleverd. Alternatief gezien, om dezelfde precisie als voorheen te verkrijgen, zouden de onderzoekers minder licht kunnen gebruiken, wat cruciaal is om levende cellen in leven te houden. De verbetering is het meest merkbaar wanneer het meetproces traag is of wanneer de lichtblootstelling strikt beperkt moet worden, wat precies de omstandigheden zijn die worden aangetroffen in biologische experimenten. Het team ontdekte dat als de tijd tussen metingen lang is, het voordeel van hun nieuwe methode groeit, en uiteindelijk een limiet bereikt waarbij het ongeveer zestig procent efficiënter is in het verzamelen van informatie dan de oude manier.

De onderzoekers keken ook nauwgezet naar waarom deze nieuwe methode zo goed werkt. Ze ontdekten dat de sequentie van pulsen het defect effectief verbergt voor de ruis die de meting normaal gesproken verpest. Gedurende het grootste deel van de tijd wordt het defect in een positie gehouden waarin het immuun is voor het snelle verlies van informatie dat optreedt in vloeibare omgevingen. Pas aan het einde van de sequentie wordt het defect toegestaan om te interageren met het temperatuursignaal. Dit "verbergingsmechanisme" zorgt ervoor dat de meting langer kan duren dan normaal mogelijk zou zijn, waardoor er meer detail kan worden vastgelegd voordat het signaal vervaagt. Het team bevestigde dat dit niet alleen een kwestie is van timing, maar een fundamentele verandering in hoe de informatie wordt verwerkt.

Hoewel de resultaten momenteel gebaseerd zijn op computersimulaties, is de fysica erachter solide en leunt deze op dezelfde instrumenten die experimentatoren al gebruiken. Het team heeft geen nieuwe hardware uitgevonden; ze hebben simpelweg de bestaande microgolfpulsen in een efficiënter patroon gerangschikt. Dit betekent dat de verbetering geïmplementeerd kan worden in echte experimenten zonder nieuwe machines te bouwen. De methode is robuust, wat betekent dat het nog steeds werkt zelfs als de apparatuur niet perfect gekalibreerd is, en het vereist geen extra lasers of complexe opstellingen. De enige vereiste is het vermogen om de timing van de microgolfpulsen met hoge precisie te controleren, wat standaard is in moderne kwantumsensortechnologie-laboratoria.

De implicaties van dit werk reiken verder dan alleen het meten van temperatuur. Dezelfde principes van het vormgeven van de respons van een kwantumsensor kunnen worden toegepast op andere soorten metingen, zoals het detecteren van pH-waarden of specifieke enzymen, zolang deze kunnen worden omgezet in een magnetisch signaal. Door te bewijzen dat optimale controle meer waarde uit een enkele kwantumsensor kan persen, hebben de onderzoekers een pad geopend naar meer gevoelige en minder invasieve instrumenten voor het bestuderen van het leven op de kleinste schaal. Het werk suggereert dat de toekomst van nanoschaal-sensoren misschien niet afhangt van het bouwen van helderdere lichten of grotere sensoren, maar van het vinden van de juiste manier om te luisteren naar de minuscule signalen die er al zijn.