Innovaciones sobre diamantes acercan las redes cuánticas a gran escala

Científicos han demostrado que es posible crear diminutas imperfecciones en la red cristalina del diamante que pueden almacenar y transmitir información mediante las reglas de la física cuántica.

Al colocar cuidadosamente átomos individuales de estaño en cristales de diamante sintético y luego usar un láser ultrarrápido para activarlos, un equipo de las universidades de Oxford, Cambridge y Manchester logró un control preciso sobre dónde y cómo aparecen estas características cuánticas.

Este nivel de precisión es vital para crear redes cuánticas prácticas a gran escala capaces de comunicación ultrasegura y computación cuántica distribuida para abordar problemas actualmente irresolubles, según un comunicado de Oxford.

El profesor Jason Smith, del Departamento de Materiales de la Universidad de Oxford y coautor del estudio, afirmó: "Este avance nos proporciona un control sin precedentes sobre los centros de color de vacancia de estaño individuales en el diamante, un hito crucial para los dispositivos cuánticos escalables. Lo que más me entusiasma es que podemos observar, en tiempo real, cómo se forman los defectos cuánticos".

En concreto, los defectos en el diamante actúan como interfaces espín-fotón, lo que significa que pueden conectar bits cuánticos de información (almacenados en el espín de un electrón) con partículas de luz. Los defectos de vacancia de estaño pertenecen a una familia conocida como centros de color del Grupo IV, una clase de defectos en el diamante creados por átomos como el silicio, el germanio o el estaño.

Los centros del Grupo IV han sido valorados durante mucho tiempo por su alto grado de simetría, lo que les confiere propiedades ópticas y de espín estables, haciéndolos ideales para aplicaciones de redes cuánticas. Se cree ampliamente que los centros de vacancia de estaño presentan la mejor combinación de estas propiedades; sin embargo, hasta ahora, la colocación y activación fiables de defectos individuales representaba un gran reto.

Los investigadores utilizaron una plataforma de haz de iones enfocado, una herramienta que actúa como un aerosol a escala atómica, dirigiendo cada uno de los iones de estaño a posiciones exactas dentro del diamante. Esto les permitió implantar los átomos de estaño con una precisión nanométrica, mucho más fina que el grosor de un cabello humano.

EN TIEMPO REAL

Para convertir los átomos de estaño implantados en centros de color de vacancia de estaño, el equipo utilizó pulsos láser ultrarrápidos en un proceso llamado recocido láser. Este proceso excita suavemente pequeñas regiones del diamante sin dañarlo. Lo que hizo único a este enfoque fue la incorporación de retroalimentación espectral en tiempo real, que monitoriza la luz proveniente de los defectos durante el proceso láser.

Esto permitió a los científicos ver en tiempo real cuándo se activaba un defecto cuántico y ajustar el láser en consecuencia, ofreciendo un nivel de control sin precedentes sobre la creación de estos delicados sistemas cuánticos.

Este avance tiene varias implicaciones importantes:

- Escalabilidad: La capacidad de activar centros de color con un láser permite una colocación precisa, esencial para construir redes cuánticas a gran escala.

- Integración: El proceso a temperatura ambiente es compatible con las técnicas existentes de fabricación de semiconductores, lo que facilita la integración de cúbits basados en diamante en las tecnologías actuales.

- Rendimiento: Los centros de color activados por láser presentan excelentes propiedades ópticas, incluyendo altos grados de coherencia óptica y de espín, cruciales para aplicaciones de comunicación y computación cuántica.