Diamantele de designer ar putea ajuta într-o zi la construirea unui internet cuantic

Un nou tip de diamant artificial este o tăietură peste restul pentru memoria cuantică.

Spre deosebire de alte diamante sintetice, care ar putea fie să stocheze informații cuantice pentru o lungă perioadă de timp, fie să o transmită clar, noul diamant poate face ambele. Acest cristal de designer, descris în 6 iulie Ştiinţă, ar putea fi un element cheie într-un internet cuantic. O astfel de rețea de comunicații futuristă ar permite oamenilor să trimită mesaje supersecurizate și să conecteze computere cuantice din întreaga lume (SN: 15.10.16, str. 13).

Diamantul sintetic poate servi ca stocare cuantică datorită unui tip de defect în rețeaua sa de carbon, în care doi atomi de carbon vecini sunt înlocuiți cu un atom necarbon și un spațiu gol (SN: 4/5/08, str. 216). Această împerechere prezintă o proprietate cuantică cunoscută sub numele de spin, care poate fi într-o stare „sus”, o stare „jos” sau ambele simultan. Fiecare dintre aceste stări reflectă un pic de date cuantice, sau qubit, care poate fi 1, 0 sau ambele simultan. Un diamant transmite qubiți prin codificarea lor în particule de lumină, sau fotoni, care călătoresc prin cabluri de fibră optică.

Defectele de diamant care stochează Qubit sunt de obicei făcute cu atomi de azot, care pot stoca date cuantice pentru milisecunde – un timp relativ lung în domeniul cuantic (SN: 23/04/11, str. 14). Dar defectele de azot nu pot comunica aceste date în mod clar. Ei emit particule de lumină la o gamă largă de frecvențe, ceea ce încurcă informațiile cuantice scrise în fotoni.

Defectele realizate cu atomi de siliciu emit lumină mai precis, dar până acum nu au putut stoca qubiți mai mult de câteva nanosecunde din cauza interacțiunilor lor electrice cu particulele din apropiere, explică Nathalie de Leon, inginer electrician la Universitatea Princeton.

De Leon și colegii au rezolvat această problemă forjând defecte de siliciu într-un diamant infuzat cu bor. Acest ingredient chimic suplimentar a protejat defectele delicate de siliciu de interacțiunile electrice cu particulele din apropiere, extinzând memoria cuantică a defectelor. Cristalul infuzat cu bor aproape a rivalizat cu memoria cuantică pe termen lung a defectelor de azot, stocând qubiți pentru aproximativ o milisecundă. Și a dat o citire curată a fotonilor, emițând aproximativ 90 la sută din fotonii săi exact la aceeași frecvență – în comparație cu doar 3 la sută din fotonii scuipat de defectele de azot.

Modificarea mediului defectelor de siliciu a fost „o modalitate extrem de creativă” de a ajuta la menținerea unei mai bune strângeri asupra qubiților, spune Evelyn Hu, un fizician aplicat și inginer electric la Universitatea Harvard, care nu este implicat în lucrare.

Acest nou diamant artificial ar putea fi folosit pentru a construi dispozitive numite repetitoare cuantice pentru comunicații cuantice la distanță lungă, spune David Awschalom, fizician și inginer cuantic la Universitatea din Chicago, care nu a fost implicat în lucrare. Fotonii purtători de qubit pot călători doar până la aproximativ 100 de kilometri prin fibra optică înainte ca semnalul lor să fie amestecat (SN: 30.09.17, str. 8). Repetoarele cuantice care captează, stochează și reemit fotoni ar putea servi drept trepte între cablurile de fibră optică pentru a extinde raza de acțiune a rețelelor viitoare.