Tecnologias Quânticas: Qubits construídos dentro do diamante

Redação do Site Inovação Tecnológica

Esta ilustração mostra uma matriz de lacunas, ou cargas positivas, (roxas) gravadas no diamante, com dois átomos de silício (amarelo) colocados entre as lacunas.[Imagem: Sandia National Laboratories]

Centros de cor de silício

Pesquisadores dos Laboratórios Sandia e da Universidade de Harvard, nos EUA, conseguiram colocar pela primeira vez em um único chip todos os componentes necessários para criar uma ponte quântica, um dispositivo capaz de interconectar processadores quânticos, que individualmente ainda são pequenos demais para fazer cálculos úteis.

E eles fizeram isto substituindo as vacâncias de nitrogênio, defeitos naturais existentes no diamante que vêm sendo explorados como qubits, por vacâncias cuidadosamente projetadas e criadas exatamente onde se precisa delas - até agora era preciso procurar entre milhares de defeitos naturais que apresentassem a característica exata necessária.

"As pessoas já construíram pequenos processadores quânticos. Mas talvez o primeiro computador quântico útil não seja um único computador gigantesco, mas um cluster de pequenos processadores conectados," disse Ryan Camacho, membro da equipe.

A distribuição de informações quânticas em uma ponte ou rede também pode permitir novas formas de sensoriamento de altíssima precisão, uma vez que as correlações quânticas permitem que todos os átomos da rede se comportem como se fossem um único átomo.

Silício e diamante

A técnica consistiu em injetar íons individuais em locais precisos dentro da rede atômica de um nanodiamante.

Ao substituir um átomo de carbono no diamante pelo átomo de silício, que é muito maior, a técnica força dois outros átomos de carbono adjacentes e "fugirem", deixando o átomo de silício com um enorme espaço à sua disposição. O resultado é que as vacâncias, as ausências de carbono, tipicamente não-condutoras, protegem o átomo de silício contra correntes elétricas que possam afetá-lo.

Foto do experimento real. [Imagem: R. Evans/Harvard]

Devido a esse grau de liberdade, embora os átomos de silício injetados estejam incorporados em um sólido, eles se comportam como se flutuassem em um gás. Com isto, a resposta de seus elétrons aos estímulos quânticos não é obscurecida por interações indesejadas com outras matérias, mantendo a informação intacta.

Com os átomos de silício cuidadosamente implantados no substrato de diamante, fótons de um laser fazem com que elétrons do silício saltem para seu próximo estado de energia. Como tudo procura seu nível de energia mais baixo possível, quando os elétrons retornam ao estado de energia mais baixa eles emitem fótons quantizados que carregam informações em sua frequência, intensidade e polarização.

A partir de agora, tudo o que era feito com as vacâncias de nitrogênio, poderá ser feito de forma mais controlada e precisa com esses qubits construídos sob demanda.

Bibliografia:

An integrated diamond nanophotonics platform for quantum optical networks
A. Sipahigil, R. E. Evans, D. D. Sukachev, M. J. Burek, J. Borregaard, M. K. Bhaskar, C. T. Nguyen, J. L. Pacheco, H. A. Atikian, C. Meuwly, R. M. Camacho, F. Jelezko, E. Bielejec, H. Park, M. Loncar, M. D. Lukin
Science
DOI: 10.1126/science.aah6875