Lograr la inmensa promesa de la computación cuántica requiere nuevos desarrollos en todos los niveles, incluido el hardware informático en sí. Un equipo internacional de investigadores dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ha descubierto una forma de utilizar haces de iones para crear largas cadenas de qubits de "centro de color" en el diamante. Su trabajo se detalla en la revista Letras de física aplicada .

Los autores incluyen varios de Berkeley Lab:Arun Persaud, quien dirigió el estudio, y Thomas Schenkel, Jefe del Programa de Tecnología de Fusión y Tecnología de Rayos de Iones de la División de Tecnología Aceleradora y Física Aplicada (ATAP), así como Casey Christian (ahora en la División de Física de Berkeley Lab), Edward Barnard de la fundición molecular de Berkeley Lab, y Russell E. Lake, afiliado de ATAP.

Crear una gran cantidad de bits cuánticos de alta calidad (qubits), lo suficientemente cerca para acoplarse entre sí, es uno de los grandes retos de la computación cuántica. Colaborando con colegas de todo el mundo, el equipo ha estado explorando el uso de haces de iones para crear centros de color artificiales en el diamante para su uso como qubits.

Los centros de color son defectos microscópicos:desviaciones de la rigurosa estructura reticular de un cristal, como el diamante. El tipo de defecto que es de interés específico para los qubits es un átomo de nitrógeno junto a una vacante, o espacio vacío, en una celosía de diamantes. (El nitrógeno se encuentra comúnmente en la red cristalina del diamante, que es principalmente una forma cristalina de carbono, y puede contribuir al color de la piedra).

Cuando se excita por la rápida deposición de energía de un ión que pasa, Los centros de vacantes de nitrógeno pueden formarse en el entramado de diamantes. Los espines de electrones y nucleares de los centros vacantes de nitrógeno y los átomos de carbono adyacentes pueden funcionar como qubits de estado sólido, y la celosía de cristal puede ayudar a proteger su coherencia y entrelazamiento mutuo.

El resultado es un sistema físicamente duradero que no tiene que utilizarse en un entorno criogénico, que son atributos atractivos para los sensores cuánticos y también para los qubits en este tipo de computadora cuántica de estado sólido. Sin embargo, haciendo suficientes qubits, y acercarlos lo suficiente el uno al otro, ha sido un desafío.

Cuando iones pesados ​​rápidos (de alta energía), como los rayos que utilizó este equipo, iones de oro con una energía cinética de aproximadamente mil millones de electronvoltios, atraviesan un material, como el diamante dopado con nitrógeno, dejan un rastro de centros vacantes de nitrógeno a lo largo de sus huellas. Se encontró que los centros de color se formaban directamente, sin necesidad de recocido adicional (tratamiento térmico). Y lo que es más, se formaron a lo largo de las pistas de iones, en lugar de solo al final del rango de iones, como se esperaba de estudios anteriores con iones de menor energía. En estas rectas "cadenas de percolación, "los qubits de centro de color están alineados a distancias de decenas de micrones, y están a solo unos nanómetros de sus vecinos más cercanos. Una técnica desarrollada por Molecular Foundry de Berkeley Lab midió los centros de color con resolución de profundidad.

El trabajo sobre síntesis de qubit lejos del equilibrio fue apoyado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía. El siguiente paso en la investigación será cortar físicamente un grupo de estos centros de color, que son como una serie de cuentas en una cuerda, y mostrar que están tan estrechamente acoplados que pueden usarse como registros cuánticos.

Los resultados publicados en el artículo actual muestran que será posible formar registros cuánticos con hasta aproximadamente 10, 000 qubits acoplados, dos órdenes de magnitud mayor que los logrados hasta ahora con la tecnología complementaria de los qubits de trampa de iones, en una distancia de aproximadamente 50 micrones (aproximadamente el ancho de un cabello humano).

"Las interacciones de iones pesados ​​rápidos con materiales se han estudiado durante décadas para una variedad de propósitos, incluido el comportamiento de los materiales nucleares y los efectos de los rayos cósmicos en la electrónica, "dijo Schenkel.

Añadió que los investigadores de todo el mundo han tratado de fabricar materiales cuánticos induciendo artificialmente centros de color en el diamante. "Los enfoques de estado sólido para el hardware de computación cuántica escalan maravillosamente, pero la integración ha sido un desafío. Esta es la primera vez que se observa la formación directa de qubits de centro de color a lo largo de cadenas ".

Las estrellas, como diamantes

En una escala minúscula y efímera (nanómetros y picosegundos) la deposición de energía por los haces de iones produce un estado de alta temperatura, que Schenkel compara con la superficie del sol, en el rango de 5000 K, y presión. Además de eliminar átomos de carbono de la red cristalina del diamante, este efecto podría permitir estudios fundamentales de estados exóticos de materia densa cálida transitoria, un estado de la materia que está presente en muchas estrellas y grandes planetas y que es difícil de estudiar directamente en la Tierra.

También podría permitir la formación de nuevos qubits con propiedades personalizadas que no se pueden formar con métodos convencionales. "Esto abre una nueva dirección para expandir nuestra capacidad para formar registros cuánticos, "dijo Schenkel.

En la actualidad, Las cadenas del centro de color se forman con haces de grandes aceleradores de partículas, como el del laboratorio alemán GSI que se utilizó en esta investigación. En el futuro, podrían fabricarse utilizando aceleradores de láser-plasma compactos como los que se están desarrollando en el Berkeley Lab Laser Accelerator Center (BELLA).

El Centro BELLA está desarrollando activamente sus capacidades de aceleración de iones con fondos de la Oficina de Ciencias del DOE. Estas capacidades se utilizarán como parte de LaserNetUS. Los pulsos de iones de la aceleración del plasma láser son muy intensos y amplían enormemente nuestra capacidad para formar estados transitorios de materiales calientes y muy excitados para la síntesis de qubit en condiciones novedosas.

Más facetas de la ciencia de los materiales lejos del equilibrio

El proceso de creación de estos centros de color es interesante por derecho propio y debe entenderse mejor como parte de un mayor progreso en estas aplicaciones. Los detalles de cómo un haz de iones intenso deposita energía a medida que atraviesa las muestras de diamantes, y el mecanismo exacto por el cual esto conduce a la formación de centros de color, tienen perspectivas interesantes para futuras investigaciones.

"Este trabajo demuestra tanto las oportunidades científicas de descubrimiento como el potencial de innovaciones transformadoras para la sociedad que permiten los rayos de los aceleradores, "dice Cameron Geddes, director de la división de ATAP." Con aceleradores, creamos estados únicos de la materia y nuevas capacidades que no son posibles por otros medios ".