Armazenar informações em um sistema de memória quântica é um desafio difícil, já que os dados geralmente são perdidos rapidamente. Na TU Wien, tempos de armazenamento ultralongos agora foram alcançados usando diamantes minúsculos.

Com partículas quânticas, as informações podem ser armazenadas e manipuladas - esta é a base de muitas tecnologias muito promissoras, como sensores quânticos extremamente sensíveis, comunicação quântica ou mesmo computadores quânticos. Há, Contudo, um problema significativo:é difícil armazenar informações em um sistema físico quântico por um longo período de tempo. A informação quântica tende a se dissipar em frações de segundo devido às interações com o ambiente.

Na TU Wien, agora é possível armazenar informações quânticas por horas a fio usando diamantes especiais. Isso torna a informação quântica ainda mais estável do que a informação convencional armazenada na memória de trabalho de nossos computadores. Os resultados desta pesquisa já foram publicados na revista. Materiais da Natureza .

Diamantes com defeitos

Um sistema quântico especial está sendo utilizado na TU Wien, que tem despertado grande interesse em todo o mundo. "Estamos usando pequenos diamantes semeados intencionalmente com pequenos defeitos, "diz Johannes Majer, Líder do Grupo de Pesquisa do Instituto de Física Atômica e Subatômica da TU Wien. Normalmente, um diamante é composto apenas de átomos de carbono. Ao irradiar o diamante, é possível introduzir um átomo de nitrogênio na estrutura do diamante no lugar de um átomo de carbono em certos pontos, que então deixa um ponto desocupado na estrutura do cristal próximo a ele. Esse "defeito de rede" é conhecido como centro NV ou centro de vacância de nitrogênio. O átomo de nitrogênio e o local vazio podem assumir diferentes estados, portanto, este site de defeito de rede pode ser usado para armazenar um bit quântico de informação.

A questão decisiva é por quanto tempo essas informações permanecem estáveis. "A escala de tempo em que um bit quântico normalmente perde sua energia e com ela as informações armazenadas é tecnologicamente uma das características mais importantes desse bit quântico, "explica Thomas Astner, o principal autor da publicação. "Entender precisamente o motivo da perda de energia e a velocidade desse processo é, portanto, crucial."

Pela primeira vez, cientistas do Instituto de Física Atômica e Subatômica da TU Wien agora foram capazes de determinar experimentalmente o período característico durante o qual os erros do diamante perdem suas informações quânticas. Os diamantes foram acoplados a microondas para que as informações quânticas pudessem ser escritas e lidas. O ressonador de microondas especial usado para esta finalidade foi desenvolvido por Andreas Angerer na TU Wien em 2016. Ele pode ser usado para determinar, com grande precisão, quanta energia ainda está sendo armazenada no diamante.

Tempos recordes

As medições foram realizadas em temperaturas muito baixas, logo acima da temperatura zero absoluta, a 20 milikelvins. O calor perturbaria o ambiente do sistema e apagaria as informações quânticas. Ficou claro que os diamantes podem armazenar suas informações por várias horas, muito mais tempo do que se pensava possível. "As informações no chip D-RAM de uma memória de computador comum são muito menos estáveis. Lá, a energia é perdida em algumas centenas de milissegundos, o que significa que as informações devem ser atualizadas, "diz Johannes Majer.

Nem todos os diamantes com defeitos oferecem os mesmos períodos de armazenamento. O recorde é detido por um diamante especial fabricado pela equipe que trabalha com Junichi Isoya na Universidade de Tsukuba, no Japão. Foi irradiado com elétrons ao longo de vários meses para gerar tantos defeitos centrais N-V quanto possível, sem introduzir quaisquer outros efeitos prejudiciais. Um período de armazenamento quântico de 8 horas pode ser medido neste diamante.

"Inicialmente, mal podíamos acreditar nesses resultados maravilhosos, "diz Johannes Majer. O fenômeno foi, portanto, investigado exaustivamente usando simulações de computador. Johannes Gugler e o professor Peter Mohn (também na TU Wien) realizaram cálculos complexos que levaram à explicação de que a extraordinária estabilidade do armazenamento quântico do diamante se deve à rigidez particular rede de diamante. "Enquanto outros materiais exibem vibrações de rede que podem levar rapidamente à perda das informações armazenadas, o acoplamento de informações quânticas às vibrações da rede é muito fraco em diamantes e a energia pode ser armazenada por horas, "diz Thomas Astner.