Nueva Técnica Podría Beneficiar A Las Computadoras Cuánticas Basadas En Diamantes

Los ingenieros dan un paso hacia las computadoras cuánticas de producción masiva

En un estudio recientemente publicado, investigadores de la Universidad de Harvard, Sandia National Laboratories y MIT revelan una nueva técnica para crear defectos específicos en materiales de diamante. El nuevo proceso de posicionamiento de bits cuánticos es más sencillo y preciso que sus predecesores y podría beneficiar a los basados ​​en diamantes. computación cuántica dispositivos.

Las computadoras cuánticas son dispositivos experimentales que ofrecen grandes aceleraciones en algunos problemas computacionales. Un enfoque prometedor para construirlos implica aprovechar los defectos atómicos a escala nanométrica en los materiales de diamante.

Pero los dispositivos prácticos de computación cuántica basados ​​en diamantes requerirán la capacidad de colocar esos defectos en ubicaciones precisas en estructuras complejas de diamantes, donde los defectos pueden funcionar como qubits, las unidades básicas de información en la computación cuántica. En Nature Communications , un equipo de investigadores del MIT, la Universidad de Harvard y Sandia National Laboratories informa sobre una nueva técnica para crear defectos específicos, que es más simple y precisa que sus predecesoras.

En los experimentos, los defectos producidos por la técnica estaban, en promedio, dentro de los 50 nanómetros de sus ubicaciones ideales.

“El escenario soñado en el procesamiento de información cuántica es hacer un circuito óptico para transportar qubits fotónicos y luego colocar una memoria cuántica donde la necesite”, dice Dirk Englund, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática que dirigió el equipo del MIT. “Ya casi llegamos con esto. Estos emisores son casi perfectos “.

El nuevo artículo tiene 15 coautores. Siete son del MIT, incluido Englund y el primer autor Tim Schröder, quien era un postdoctorado en el laboratorio de Englund cuando se realizó el trabajo y ahora es profesor asistente en el Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague. Edward Bielejec dirigió el equipo de Sandia y el profesor de física Mikhail Lukin dirigió el equipo de Harvard.

Apelar defectos

Las computadoras cuánticas, que todavía son en gran parte hipotéticas, explotan el fenómeno de la “superposición” cuántica, o la capacidad contradictoria de las partículas pequeñas para habitar estados físicos contradictorios al mismo tiempo. Por ejemplo, se puede decir que un electrón está en más de una ubicación simultáneamente, o que tiene dos orientaciones magnéticas opuestas.

Mientras que un bit en una computadora convencional puede representar cero o uno, un “qubit” o bit cuántico puede representar cero, uno o ambos al mismo tiempo. Es la capacidad de cadenas de qubits para, en cierto sentido, explorar simultáneamente múltiples soluciones a un problema que promete aceleraciones computacionales.

Los qubits con defectos de diamante son el resultado de la combinación de “vacantes”, que son ubicaciones en la red cristalina del diamante donde debería haber un carbono. átomo pero no hay uno, ni “dopantes”, que son átomos de materiales distintos del carbono que han encontrado su camino hacia la red. Juntos, el dopante y la vacante crean un “centro” de dopante-vacante, que tiene electrones libres asociados. La orientación magnética de los electrones, o “espín”, que puede estar en superposición, constituye el qubit.

Un problema perenne en el diseño de computadoras cuánticas es cómo leer información de los qubits. Los defectos de diamante presentan una solución simple, porque son emisores de luz natural. De hecho, las partículas de luz emitidas por los defectos de los diamantes pueden preservar la superposición de los qubits, por lo que podrían mover información cuántica entre dispositivos de computación cuántica.

Interruptor de silicio

El defecto de diamante más estudiado es el centro de vacantes de nitrógeno, que puede mantener la superposición por más tiempo que cualquier otro qubit candidato. Pero emite luz en un espectro de frecuencias relativamente amplio, lo que puede provocar inexactitudes en las mediciones en las que se basa la computación cuántica.

En su nuevo artículo, los investigadores del MIT, Harvard y Sandia, en cambio, utilizan centros de vacantes de silicio, que emiten luz en una banda de frecuencias muy estrecha. Naturalmente, tampoco mantienen la superposición, pero la teoría sugiere que enfriarlos a temperaturas en el rango de milikelvin, fracciones de un grado por encima cero absoluto – podría resolver ese problema. (Los qubits del centro de vacantes de nitrógeno requieren enfriamiento a 4 kelvin relativamente suaves).

Sin embargo, para que sean legibles, las señales de los qubits emisores de luz deben amplificarse y debe ser posible dirigirlas y recombinarlas para realizar cálculos. Por eso es importante la capacidad de localizar defectos con precisión: es más fácil grabar circuitos ópticos en un diamante y luego insertar los defectos en los lugares correctos que crear defectos al azar y luego intentar construir circuitos ópticos alrededor de ellos.

En el proceso descrito en el nuevo artículo, los investigadores del MIT y Harvard primero cepillaron un diamante sintético hasta que solo tenía 200 nanómetros de espesor. Luego grabaron cavidades ópticas en la superficie del diamante. Estos aumentan el brillo de la luz emitida por los defectos (al tiempo que acortan los tiempos de emisión).

Luego enviaron el diamante al equipo de Sandia, que ha personalizado un dispositivo comercial llamado Nano-Implanter para expulsar corrientes de iones de silicio. Los investigadores de Sandia dispararon de 20 a 30 iones de silicio en cada una de las cavidades ópticas del diamante y lo enviaron de regreso a Cambridge.

Vacantes móviles

En este punto, solo alrededor del 2 por ciento de las cavidades tenían centros de vacantes de silicio asociados. Pero los investigadores del MIT y Harvard también han desarrollado procesos para hacer estallar el diamante con haces de electrones para producir más vacantes y luego calentar el diamante a unos 1.000 grados. Celsius , lo que hace que las vacantes se muevan alrededor de la red cristalina para que puedan unirse con átomos de silicio.

Después de que los investigadores sometieron el diamante a estos dos procesos, el rendimiento se multiplicó por diez, hasta el 20 por ciento. En principio, las repeticiones de los procesos deberían incrementar aún más el rendimiento de los centros vacantes de silicio.

Cuando los investigadores analizaron las ubicaciones de los centros de vacantes de silicio, encontraron que estaban dentro de unos 50 nanómetros de sus posiciones óptimas en el borde de la cavidad. Eso se tradujo en una luz emitida que era entre un 85 y un 90 por ciento más brillante que podría ser, lo que sigue siendo muy bueno.

“Es un resultado excelente”, dice Jelena Vuckovic, profesora de ingeniería eléctrica en la Universidad de Stanford que estudia nanofotónica y óptica cuántica. “Espero que la técnica pueda mejorarse más allá de los 50 nanómetros, porque una desalineación de 50 nanómetros degradaría la fuerza de la interacción luz-materia. Pero este es un paso importante en esa dirección. Y la precisión de 50 nanómetros es ciertamente mejor que no controlar la posición en absoluto, que es lo que hacemos normalmente en estos experimentos, donde comenzamos con emisores colocados al azar y luego hacemos resonadores “.

Publicación: Tim Schröder, et al., “Creación de haz de iones enfocado escalable de emisores cuánticos únicos casi de duración limitada en nanoestructuras de diamante”, Nature Communications 8, número de artículo: 15376 (2017) doi: 10.1038 / ncomms15376

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