Os computadores quânticos são dispositivos experimentais que oferecem grandes acelerações em alguns problemas computacionais. Uma abordagem promissora para construí-los envolve o aproveitamento de defeitos atômicos em escala nanométrica em materiais de diamante.

Mas prático, dispositivos de computação quântica baseados em diamante exigirão a capacidade de posicionar esses defeitos em locais precisos em estruturas de diamante complexas, onde os defeitos podem funcionar como qubits, as unidades básicas de informação na computação quântica. No dia de hoje Nature Communications , uma equipe de pesquisadores do MIT, Universidade de Harvard, e Sandia National Laboratories relata uma nova técnica para criar defeitos direcionados, que é mais simples e mais preciso do que seus antecessores.

Em experimentos, os defeitos produzidos pela técnica foram, na média, dentro de 50 nanômetros de seus locais ideais.

"O cenário dos sonhos no processamento de informações quânticas é fazer um circuito óptico para transportar qubits fotônicos e, em seguida, posicionar uma memória quântica onde você precisar, "diz Dirk Englund, um professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação que liderou a equipe do MIT. "Estamos quase lá com isso. Esses emissores são quase perfeitos."

O novo artigo tem 15 co-autores. Sete são do MIT, incluindo Englund e o primeiro autor Tim Schröder, que era pós-doutorado no laboratório de Englund quando o trabalho foi concluído e agora é professor assistente no Instituto Niels Bohr da Universidade de Copenhague. Edward Bielejec liderou a equipe Sandia, e o professor de física Mikhail Lukin liderou a equipe de Harvard.

Defeitos apelativos

Computadores quânticos, que ainda são em grande parte hipotéticos, explorar o fenômeno da "superposição quântica, "ou a capacidade contra-intuitiva de pequenas partículas de habitar estados físicos contraditórios ao mesmo tempo. Um elétron, por exemplo, pode-se dizer que está em mais de um local simultaneamente, ou ter ambas as duas orientações magnéticas opostas.

Onde um bit em um computador convencional pode representar zero ou um, um "qubit, "ou bit quântico, pode representar zero, 1, Ou os dois ao mesmo tempo. É a capacidade de strings de qubits para, em algum sentido, explorar simultaneamente várias soluções para um problema que promete acelerações computacionais.

Qubits de defeito de diamante resultam da combinação de "vagas, "que são locais na estrutura do cristal do diamante onde deveria haver um átomo de carbono, mas não existe, e "dopantes, "que são átomos de materiais diferentes de carbono que encontraram seu caminho para a rede. Juntos, o dopante e a vaga criam um centro de dopante-vaga, "que tem elétrons livres associados a ele. A orientação magnética dos elétrons, ou "girar, "que pode estar em sobreposição, constitui o qubit.

Um problema perene no projeto de computadores quânticos é como ler informações a partir de qubits. Os defeitos do diamante apresentam uma solução simples, porque são emissores de luz natural. Na verdade, as partículas de luz emitidas por defeitos de diamante podem preservar a superposição dos qubits, para que eles pudessem mover informações quânticas entre dispositivos de computação quântica.

Interruptor de silício

O defeito do diamante mais estudado é o centro de vacância de nitrogênio, que pode manter a superposição por mais tempo do que qualquer outro qubit candidato. Mas ele emite luz em um espectro relativamente amplo de frequências, o que pode levar a imprecisões nas medições nas quais a computação quântica se baseia.

Em seu novo jornal, o MIT, Harvard, e os pesquisadores da Sandia, em vez disso, usam centros de vacância de silício, que emitem luz em uma faixa de frequências muito estreita. Eles não mantêm naturalmente a superposição também, mas a teoria sugere que resfriá-los a temperaturas na faixa dos milikelvin - frações de grau acima do zero absoluto - poderia resolver esse problema. (Os qubits do centro de vacância de nitrogênio requerem resfriamento até um valor relativamente agradável de 4 kelvins.)

Para ser legível, Contudo, os sinais dos qubits emissores de luz devem ser amplificados, e deve ser possível direcioná-los e recombiná-los para realizar cálculos. É por isso que a capacidade de localizar defeitos com precisão é importante:é mais fácil gravar circuitos ópticos em um diamante e, em seguida, inserir os defeitos nos lugares certos do que criar defeitos aleatoriamente e tentar construir circuitos ópticos ao redor deles.

No processo descrito no novo artigo, os pesquisadores do MIT e de Harvard primeiro aplainaram um diamante sintético até que tivesse apenas 200 nanômetros de espessura. Em seguida, eles gravaram cavidades ópticas na superfície do diamante. Estes aumentam o brilho da luz emitida pelos defeitos (ao mesmo tempo que encurtam os tempos de emissão).

Em seguida, eles enviaram o diamante para a equipe Sandia, que personalizaram um dispositivo comercial chamado Nano-Implanter para ejetar fluxos de íons de silício. Os pesquisadores da Sandia dispararam de 20 a 30 íons de silício em cada uma das cavidades ópticas do diamante e o enviaram de volta para Cambridge.

Vagas móveis

Neste ponto, apenas cerca de 2 por cento das cavidades tinham centros de vacância de silício associados. Mas os pesquisadores do MIT e de Harvard também desenvolveram processos para explodir o diamante com feixes de elétrons para produzir mais vagas, e, em seguida, aquecer o diamante a cerca de 1, 000 graus Celsius, o que faz com que os espaços vazios se movam ao redor da estrutura cristalina para que possam se ligar aos átomos de silício.

Depois que os pesquisadores submeteram o diamante a esses dois processos, o rendimento aumentou dez vezes, a 20 por cento. Em princípio, as repetições dos processos devem aumentar ainda mais o rendimento dos centros de vacância de silício.

Quando os pesquisadores analisaram as localizações dos centros de vacância de silício, eles descobriram que estavam a cerca de 50 nanômetros de suas posições ideais na borda da cavidade. Isso se traduziu em uma luz emitida que era cerca de 85 a 90 por cento tão brilhante quanto poderia ser, o que ainda é muito bom.