Las computadoras cuánticas son dispositivos experimentales que ofrecen grandes aceleraciones en algunos problemas computacionales. Un enfoque prometedor para construirlos implica aprovechar los defectos atómicos a escala nanométrica en los materiales de diamante.

Pero práctico Los dispositivos de computación cuántica basados ​​en diamantes requerirán la capacidad de colocar esos defectos en ubicaciones precisas en estructuras complejas de diamantes, donde los defectos pueden funcionar como qubits, las unidades básicas de información en computación cuántica. En el día de hoy de Comunicaciones de la naturaleza , un equipo de investigadores del MIT, Universidad Harvard, y Sandia National Laboratories informa sobre una nueva técnica para crear defectos específicos, que es más sencillo y preciso que sus predecesores.

En experimentos, los defectos producidos por la técnica fueron, de media, dentro de los 50 nanómetros de su ubicación ideal.

“El escenario soñado en el procesamiento de información cuántica es hacer un circuito óptico para transportar qubits fotónicos y luego colocar una memoria cuántica donde la necesite, "dice Dirk Englund, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática que dirigió el equipo del MIT. "Ya casi llegamos con esto. Estos emisores son casi perfectos".

El nuevo artículo tiene 15 coautores. Siete son del MIT, incluyendo Englund y el primer autor Tim Schröder, quien era un postdoctorado en el laboratorio de Englund cuando se realizó el trabajo y ahora es profesor asistente en el Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague. Edward Bielejec lideró el equipo Sandia, y el profesor de física Mikhail Lukin dirigió el equipo de Harvard.

Apelar defectos

Computadoras cuánticas, que todavía son en gran parte hipotéticos, explotar el fenómeno de la superposición cuántica, "o la capacidad contradictoria de las partículas pequeñas para habitar estados físicos contradictorios al mismo tiempo. Un electrón, por ejemplo, se puede decir que está en más de una ubicación simultáneamente, o tener dos orientaciones magnéticas opuestas.

Donde un bit en una computadora convencional puede representar cero o uno, un "qubit, "o bit cuántico, puede representar cero, uno, O ambos al mismo tiempo. Es la capacidad de cadenas de qubits para, en algún sentido, explorar simultáneamente múltiples soluciones a un problema que promete aceleraciones computacionales.

Los qubits con defectos de diamante son el resultado de la combinación de "vacantes, "que son ubicaciones en la red cristalina del diamante donde debería haber un átomo de carbono pero no lo hay, y "dopantes, "que son átomos de materiales distintos del carbono que han encontrado su camino hacia la red. Juntos, el dopante y la vacante crean un centro de dopante-vacante, "que tiene electrones libres asociados. La orientación magnética de los electrones, o "girar, "que puede estar en superposición, constituye el qubit.

Un problema perenne en el diseño de computadoras cuánticas es cómo leer la información de los qubits. Los defectos de diamante presentan una solución simple, porque son emisores de luz natural. De hecho, las partículas de luz emitidas por los defectos del diamante pueden preservar la superposición de los qubits, para que pudieran mover información cuántica entre dispositivos de computación cuántica.

Interruptor de silicio

El defecto de diamante más estudiado es el centro de vacantes de nitrógeno, que puede mantener la superposición más tiempo que cualquier otro qubit candidato. Pero emite luz en un espectro de frecuencias relativamente amplio, lo que puede dar lugar a inexactitudes en las mediciones en las que se basa la computación cuántica.

En su nuevo periódico, el MIT, Harvard, y los investigadores de Sandia, en cambio, utilizan centros de vacantes de silicio, que emiten luz en una banda de frecuencias muy estrecha. Naturalmente, tampoco mantienen la superposición, pero la teoría sugiere que enfriarlos a temperaturas en el rango de milikelvin (fracciones de un grado por encima del cero absoluto) podría resolver ese problema. (Los qubits del centro de vacantes de nitrógeno requieren enfriamiento a 4 kelvin relativamente suaves).

Para ser legible, sin embargo, las señales de los qubits emisores de luz deben amplificarse, y tiene que ser posible dirigirlos y recombinarlos para realizar cálculos. Es por eso que la capacidad de localizar defectos con precisión es importante:es más fácil grabar circuitos ópticos en un diamante y luego insertar los defectos en los lugares correctos que crear defectos al azar y luego intentar construir circuitos ópticos alrededor de ellos.

En el proceso descrito en el nuevo documento, Los investigadores del MIT y Harvard primero cepillaron un diamante sintético hasta que solo tenía 200 nanómetros de espesor. Luego grabaron cavidades ópticas en la superficie del diamante. Estos aumentan el brillo de la luz emitida por los defectos (al tiempo que acortan los tiempos de emisión).

Luego enviaron el diamante al equipo de Sandia, que han personalizado un dispositivo comercial llamado Nano-Implanter para expulsar corrientes de iones de silicio. Los investigadores de Sandia dispararon de 20 a 30 iones de silicio en cada una de las cavidades ópticas del diamante y lo enviaron de regreso a Cambridge.

Vacantes móviles

En este punto, sólo alrededor del 2 por ciento de las cavidades tenían centros de vacantes de silicio asociados. Pero los investigadores del MIT y Harvard también han desarrollado procesos para volar el diamante con haces de electrones para producir más vacantes. y luego calentar el diamante a aproximadamente 1, 000 grados Celsius, lo que hace que las vacantes se muevan alrededor de la red cristalina para que puedan unirse con átomos de silicio.

Después de que los investigadores sometieron el diamante a estos dos procesos, el rendimiento se había multiplicado por diez, al 20 por ciento. En principio, las repeticiones de los procesos deberían incrementar aún más el rendimiento de los centros vacantes de silicio.

Cuando los investigadores analizaron las ubicaciones de los centros de vacantes de silicio, encontraron que estaban dentro de unos 50 nanómetros de sus posiciones óptimas en el borde de la cavidad. Eso se tradujo en una luz emitida que era aproximadamente del 85 al 90 por ciento más brillante que podría ser, que sigue siendo muy bueno.