En algunos lugares de la celosía de cristal, falta un átomo de carbono (blanco), y en el sitio vecino hay un átomo de nitrógeno (amarillo). Crédito:Universidad Tecnológica de Viena
Almacenar información en un sistema de memoria cuántica es un desafío difícil, ya que los datos generalmente se pierden rápidamente. En TU Wien, Ahora se han logrado tiempos de almacenamiento ultralargos utilizando diamantes diminutos.
Con partículas cuánticas, la información se puede almacenar y manipular:esta es la base de muchas tecnologías muy prometedoras, como sensores cuánticos extremadamente sensibles, comunicación cuántica o incluso computadoras cuánticas. Hay, sin embargo, un problema importante:es difícil almacenar información en un sistema físico cuántico durante un largo período de tiempo. La información cuántica tiende a disiparse en fracciones de segundo debido a las interacciones con el medio ambiente.
En TU Wien ahora ha sido posible almacenar información cuántica durante horas utilizando diamantes especiales. Esto hace que la información cuántica sea aún más estable que la información convencional almacenada en la memoria de trabajo de nuestras computadoras. Los resultados de esta investigación ya se han publicado en la revista Materiales de la naturaleza .
Diamantes con defectos
En TU Wien se está utilizando un sistema cuántico especial, que ha despertado gran interés en todo el mundo. "Estamos usando diamantes diminutos sembrados intencionalmente con pequeños defectos, "dice Johannes Majer, Líder del grupo de investigación en el Instituto de Física Atómica y Subatómica de TU Wien. Normalmente, un diamante está compuesto solo por átomos de carbono. Irradiando el diamante, es posible introducir un átomo de nitrógeno en la estructura del diamante en lugar de un átomo de carbono en ciertos puntos, que luego deja un punto desocupado en la celosía de cristal junto a él. Este "defecto de celosía" se conoce como centro NV o centro de vacantes de nitrógeno. El átomo de nitrógeno y el sitio vacío pueden asumir diferentes estados, por lo que este sitio de defecto de celosía se puede utilizar para almacenar un bit cuántico de información.
El resonador de microondas con el diamante en el medio. Debido a los defectos de la celosía, el diamante es negro. Crédito:Universidad Tecnológica de Viena
La cuestión decisiva es cuánto tiempo permanece estable esta información. “La escala de tiempo en la que un bit cuántico normalmente pierde su energía y con ella la información almacenada es tecnológicamente una de las características más importantes de dicho bit cuántico, "explica Thomas Astner, el autor principal de la publicación. "Comprender con precisión el motivo de la pérdida de energía y la velocidad de este proceso es, por tanto, crucial".
Por primera vez, Los científicos del Instituto de Física Atómica y Subatómica de TU Wien ahora han podido determinar experimentalmente el período característico durante el cual los errores de los diamantes pierden su información cuántica. Los diamantes se acoplaron a microondas para que la información cuántica se pueda escribir y leer. El resonador de microondas especial utilizado para este propósito fue desarrollado por Andreas Angerer en TU Wien en 2016. Puede usarse para determinar, con gran precisión, cuánta energía todavía se almacena en el diamante.
Tiempos récord
Las mediciones se realizaron a muy bajas temperaturas, justo por encima de la temperatura del cero absoluto, a 20 milikelvins. El calor perturbaría el entorno del sistema y borraría la información cuántica. Resultó evidente que los diamantes pueden almacenar su información durante varias horas, mucho más de lo que se creía posible. "La información en el chip D-RAM de una memoria de computadora ordinaria es mucho menos estable. Allí, la energía se pierde en unos pocos cientos de milisegundos, lo que significa que la información debe actualizarse, "dice Johannes Majer.
No todos los diamantes con defectos ofrecen los mismos períodos de almacenamiento. El récord lo tiene un diamante especial fabricado por el equipo que trabaja con Junichi Isoya en la Universidad de Tsukuba en Japón. Se irradió con electrones durante varios meses para generar tantos defectos centrales N-V como fuera posible sin introducir ningún otro efecto perjudicial. En este diamante se podría medir un período de almacenamiento cuántico de 8 horas.
"Inicialmente, apenas podíamos creer estos maravillosos resultados, "dice Johannes Majer. Por lo tanto, el fenómeno se investigó a fondo utilizando simulaciones por computadora. Johannes Gugler y el profesor Peter Mohn (también en TU Wien) llevaron a cabo cálculos complejos que llevaron a la explicación de que la extraordinaria estabilidad del almacenamiento cuántico de diamantes se debe a la rigidez celosía de diamante ". Mientras que otros materiales muestran vibraciones de celosía que pueden conducir rápidamente a la pérdida de la información almacenada, el acoplamiento de la información cuántica a las vibraciones de la red es muy débil en los diamantes y la energía se puede almacenar durante horas, "dice Thomas Astner.
