Las 'tecnologías cuánticas' utilizan los fenómenos únicos de superposición cuántica y entrelazamiento para codificar y procesar información. con beneficios potencialmente profundos para una amplia gama de tecnologías de la información, desde las comunicaciones hasta la detección y la computación.

Sin embargo, un desafío importante en el desarrollo de estas tecnologías es que los fenómenos cuánticos son muy frágiles, y solo se han identificado un puñado de sistemas físicos en los que sobreviven lo suficiente y son lo suficientemente controlables para ser útiles. Los defectos atómicos en materiales como el diamante son uno de esos sistemas, pero la falta de técnicas para fabricar y diseñar defectos de cristales a escala atómica ha limitado el progreso hasta la fecha.

Un equipo de científicos demuestra, en un artículo publicado en Optica , el éxito del nuevo método para crear defectos particulares en diamantes conocidos como centros de color de vacancia de nitrógeno (NV). Estos comprenden una impureza de nitrógeno en la red de diamante (carbono) ubicada adyacente a un sitio de red vacío o vacante. Los centros NV se crean enfocando una secuencia de pulsos láser ultrarrápidos en el diamante, el primero de los cuales tiene una energía lo suficientemente alta como para generar vacantes en el centro del foco láser, con pulsos posteriores a menor energía para movilizar las vacantes hasta que una de ellas se une a una impureza de nitrógeno y forma el complejo requerido.

La nueva investigación fue realizada por un equipo dirigido por el profesor Jason Smith en el Departamento de Materiales, Universidad de Oxford, y el Dr. Patrick Salter y el Prof. Martin Booth en el Departamento de Ciencias de la Ingeniería, Universidad de Oxford, en colaboración con colegas de la Universidad de Warwick. Tuvo lugar dentro del programa de investigación de NQIT, el Centro de Tecnología de Computación Cuántica del Programa de Tecnologías Cuánticas del Reino Unido, con el apoyo de DeBeers UK, que suministró la muestra de diamantes.

El nuevo método de los científicos implica el empleo de un monitor de fluorescencia sensible para detectar la luz emitida desde la región focal. de modo que el proceso pueda controlarse activamente en respuesta a la señal observada. Combinando el control y la retroalimentación locales, el nuevo método facilita la producción de matrices de centros NV únicos con exactamente un centro de color en cada sitio, una capacidad clave en la creación de tecnologías escalables. También permite un posicionamiento preciso de los defectos, importante para la ingeniería de dispositivos integrados. El proceso rápido de un solo paso se automatiza fácilmente y cada centro NV tarda solo unos segundos en crearse.

El profesor Martin Booth dice:'Los centros de color en diamantes ofrecen una plataforma muy interesante para desarrollar tecnologías cuánticas compactas y robustas, y este nuevo proceso es un cambio de juego potencial en la ingeniería de los materiales requeridos. Aún queda mucho trabajo por hacer para optimizar el proceso, pero es de esperar que este paso ayude a acelerar la entrega de estas tecnologías ”.

Los científicos creen que este método podría usarse en última instancia para fabricar chips de diamante de un centímetro que contengan 100, 000 o más centros NV como ruta hacia el 'santo grial' de las tecnologías cuánticas, una computadora cuántica universal tolerante a fallas.

El profesor Jason Smith dice:'Las primeras computadoras cuánticas ahora están comenzando a surgir, pero estas máquinas, impresionantes como son, Solo arañe la superficie de lo que podría lograrse y las plataformas que se están utilizando pueden no ser lo suficientemente escalables para realizar toda la potencia que la computación cuántica tiene para ofrecer. Los centros de color de diamante pueden proporcionar una solución a este problema al empaquetar altas densidades de qubits en un chip de estado sólido, que podrían enredarse entre sí mediante métodos ópticos para formar el corazón de una computadora cuántica. La capacidad de escribir centros NV en diamante con un alto grado de control es un primer paso esencial hacia estos y otros dispositivos ”.