Los diamantes son apreciados por su pureza, pero sus fallas podrían ser la clave para un nuevo tipo de comunicaciones altamente seguras.

Los investigadores de la Universidad de Princeton están utilizando diamantes para ayudar a crear una red de comunicación que se basa en una propiedad de las partículas subatómicas conocida como su estado cuántico. Los investigadores creen que tales redes de información cuántica serían extremadamente seguras y también podrían permitir que las nuevas computadoras cuánticas trabajen juntas para completar problemas que actualmente no tienen solución. Pero los científicos que actualmente diseñan estas redes enfrentan varios desafíos, incluyendo cómo preservar la información cuántica frágil a largas distancias.

Ahora, los investigadores han llegado a una posible solución utilizando diamantes sintéticos.

En un artículo publicado esta semana en la revista Ciencias , los investigadores describen cómo pudieron almacenar y transmitir bits de información cuántica, conocido como qubits, usando un diamante en el que habían reemplazado dos átomos de carbono con un átomo de silicio.

En redes de comunicaciones estándar, Los dispositivos llamados repetidores almacenan y retransmiten señales brevemente para permitirles viajar distancias mayores. Nathalie de Leon, profesor asistente de ingeniería eléctrica en la Universidad de Princeton e investigador principal, dijo que los diamantes podrían servir como repetidores cuánticos para redes basadas en qubits.

La idea de un repetidor cuántico ha existido durante mucho tiempo, "pero nadie sabía cómo construirlos, ", dijo De Leon." Estábamos tratando de encontrar algo que actuara como el componente principal de un repetidor cuántico ".

El desafío clave en la creación de repetidores cuánticos ha sido encontrar un material que pueda almacenar y transmitir qubits. Hasta aquí, la mejor forma de transmitir qubits es codificarlos en partículas de luz, llamados fotones. Las fibras ópticas que se utilizan actualmente en gran parte de la red ya transmiten información a través de fotones. Sin embargo, los qubits en una fibra óptica pueden viajar solo distancias cortas antes de que se pierdan sus propiedades cuánticas especiales y se codifique la información. Es difícil atrapar y almacenar un fotón, que por definición se mueve a la velocidad de la luz.

En lugar de, los investigadores han buscado sólidos como cristales para proporcionar el almacenamiento. En un cristal como un diamante, teóricamente, los qubits podrían transferirse de fotones a electrones, que son más fáciles de almacenar. El lugar clave para realizar dicha transferencia serían los defectos dentro del diamante, lugares donde otros elementos además del carbono quedan atrapados en la red de carbono del diamante. Los joyeros saben desde hace siglos que las impurezas de los diamantes producen diferentes colores. Al equipo de de Leon, estos centros de color, como se llaman las impurezas, representan una oportunidad para manipular la luz y crear un repetidor cuántico.

Investigadores anteriores primero intentaron usar defectos llamados vacantes de nitrógeno, donde un átomo de nitrógeno toma el lugar de uno de los átomos de carbono, pero encontraron que, aunque estos defectos almacenan información, no tienen las propiedades ópticas correctas. Luego, otros decidieron mirar las vacantes de silicio:la sustitución de un átomo de carbono por un átomo de silicio. Pero las vacantes de silicio, mientras que podrían transferir la información a fotones, carecía de tiempos de coherencia prolongados.

"Preguntamos, '¿Qué sabemos sobre las causas de las limitaciones de estos dos centros de color?', ", dijo De Leon." ¿Podemos diseñar algo más desde cero, algo que aborde todos estos problemas? "

El equipo dirigido por Princeton y sus colaboradores decidieron experimentar con la carga eléctrica del defecto. Las vacantes de silicio en teoría deberían ser eléctricamente neutrales, pero resulta que otras impurezas cercanas pueden contribuir con cargas eléctricas al defecto. El equipo pensó que podría haber una conexión entre el estado de carga y la capacidad de mantener los espines de los electrones en la orientación adecuada para almacenar qubits.

Los investigadores se asociaron con Element Six, una empresa de fabricación de diamantes industriales, para construir vacantes de silicio eléctricamente neutrales. El elemento seis comenzó colocando capas de átomos de carbono para formar el cristal. Durante el proceso, agregaron átomos de boro, que tienen el efecto de desplazar otras impurezas que podrían estropear la carga neutra.

"Tenemos que hacer esta delicada danza de compensación de cargos entre cosas que pueden agregar cargos o quitar cargos, ", dijo de León." Controlamos la distribución de la carga de los defectos de fondo en los diamantes, y eso nos permite controlar el estado de carga de los defectos que nos preocupan ".

Próximo, los investigadores implantaron iones de silicio en el diamante, y luego calentó los diamantes a altas temperaturas para eliminar otras impurezas que también podrían donar cargas. A través de varias iteraciones de ingeniería de materiales, más análisis realizados en colaboración con científicos del Instituto Gemológico de América, el equipo produjo vacantes de silicio neutro en diamantes.

La vacante de silicio neutro es buena tanto para transmitir información cuántica usando fotones como para almacenar información cuántica usando electrones, que son ingredientes clave en la creación de la propiedad cuántica esencial conocida como entrelazamiento, que describe cómo los pares de partículas permanecen correlacionados incluso si se separan. El entrelazamiento es la clave para la seguridad de la información cuántica:los destinatarios pueden comparar las medidas de su par entrelazado para ver si un intruso ha corrompido uno de los mensajes.

El siguiente paso en la investigación es construir una interfaz entre la vacante de silicio neutro y los circuitos fotónicos para llevar los fotones de la red hacia y desde el centro de color.

Ania Bleszynski Jayich, profesor de física en la Universidad de California, Santa Bárbara, dijo que los investigadores habían superado con éxito un desafío de larga data de encontrar un defecto de diamante con características favorables para trabajar con propiedades cuánticas de fotones y electrones.

"El éxito del enfoque de ingeniería de materiales de los autores para identificar plataformas cuánticas prometedoras basadas en defectos de estado sólido destaca la versatilidad de los defectos de estado sólido y es probable que inspire una búsqueda más completa y extensa en una sección transversal más grande de material y candidatos defectuosos, "dijo Jayich, que no participó en la investigación.

El equipo de Princeton incluía a Brendon Rose, un investigador asociado postdoctoral, y los estudiantes de posgrado Ding Huang y Zi-Huai Zhang, que son miembros del laboratorio de De Leon. El equipo de De Leon también incluyó asociados de investigación postdoctorales Paul Stevenson, Sorawis Sangtawesin, y Srikanth Srinivasan, un ex investigador postdoctoral ahora en IBM. Contribuciones adicionales provienen del investigador Alexei Tyryshkin y del profesor de ingeniería eléctrica Stephen Lyon. El equipo colaboró ​​con Lorne Loudin en el Instituto Gemológico de América y Matthew Markham, Andrew Edmonds y Daniel Twitchen en Element Six.