Diamante guarda informação quântica por horas

Redação do Site Inovação Tecnológica

Nos defeitos de nitrogênio na rede do cristal de diamante, um átomo de nitrogênio (amarelo) induz também uma ausência de um átomo de carbono (branco).[Imagem: TUWien]

Centros de nitrogênio

Os diamantes são importantes para a computação quântica não apenas para realizar cálculos, mas também para armazenar informações.

E eles agora conseguem guardar os dados de forma estável por períodos extremamente longos, na escala de horas, resolvendo uma das maiores dificuldades nessa área, que é a rápida perda dos dados, que são guardados em estados quânticos extremamente frágeis.

Thomas Astner, da Universidade de Viena, na Áustria, usou diamantes fabricados industrialmente - e não as caras gemas usadas em joias - nos quais são inseridos pequenos defeitos, chamados "vacâncias de nitrogênio", no meio da estrutura cristalina de átomos de carbono do diamante.

Inseridos por irradiação, os átomos de nitrogênio substituem um átomo de carbono da rede atômica e, para ficarem lá, eles deslocam um outro átomo de carbono, deixando um espaço livre. O átomo de nitrogênio e o espaço vazio podem então assumir diferentes estados, cada um representando um bit diferente.

Essa tecnologia é bem conhecida e vem sendo explorada há muito tempo, mas até agora se acreditava que tempo de retenção da informação nesse centro de nitrogênio seria muito curto.

Usando um ressonador na faixa de micro-ondas desenvolvido especialmente para o estudo de tecnologias quânticas, Astner descobriu que não é bem assim ao estudar em detalhes o mecanismo pelo qual o calor causa a perda da informação quântica.

O ressonador de micro-ondas com o diamante no meio - por causa dos defeitos na sua rede cristalina, o diamante é preto. [Imagem: TUWien]

Dados guardados no diamante

A chave para guardar os dados por longos períodos parece estar tanto nas dimensões, quanto no processo de geração das vacâncias de nitrogênio.

"Enquanto outros materiais [nanodiamantes fabricados por outras equipes] exibem vibrações na rede [atômica] que podem levar rapidamente à perda das informações armazenadas, o acoplamento da informação quântica às vibrações da rede é muito fraco nos [nossos] diamantes e a energia pode ser armazenada por horas," disse Astner.

O efeito foi obtido em diamantes fabricados pela equipe em colaboração com a equipe do professor Junichi Isoya, da Universidade de Tsukuba, no Japão. Ele foi irradiado com elétrons ao longo de vários meses para gerar tantos defeitos de vacâncias de nitrogênio quanto possível sem apresentar outros efeitos prejudiciais - a equipe do professor Isoya está também tentando usar átomos de silício para produzir os qubits no diamante, em lugar dos átomos de nitrogênio.

O recorde de armazenamento quântico neste diamante chegou a 8 horas.

"A informação nos chips D-RAM de uma memória comum do computador é muito menos estável. A energia é perdida em algumas centenas de milissegundos, o que significa que a informação deve ser atualizada constantemente," comparou o professor Johannes Majer.

Bibliografia:

Solid-state electron spin lifetime limited by phononic vacuum modes
Thomas Astner, J. Gugler, A. Angerer, S. Wald, S. Putz, N. J. Mauser, M. Trupke, H. Sumiya, S. Onoda, J. Isoya, J. Schmiedmayer, P. Mohn, Johannes Majer
Nature Materials
DOI: 10.1038/s41563-017-0008-y