Os diamantes são valorizados por sua pureza, mas suas falhas podem ser a chave para um novo tipo de comunicação altamente segura.

Pesquisadores da Universidade de Princeton estão usando diamantes para ajudar a criar uma rede de comunicação que depende de uma propriedade de partículas subatômicas conhecida como seu estado quântico. Os pesquisadores acreditam que essas redes de informações quânticas seriam extremamente seguras e também permitiriam que novos computadores quânticos trabalhassem juntos para resolver problemas que atualmente não têm solução. Mas os cientistas que atualmente projetam essas redes enfrentam vários desafios, incluindo como preservar informações quânticas frágeis em longas distâncias.

Agora, pesquisadores chegaram a uma possível solução usando diamantes sintéticos.

Em artigo publicado esta semana na revista Ciência , os pesquisadores descrevem como eles foram capazes de armazenar e transmitir bits de informação quântica, conhecido como qubits, usando um diamante no qual eles substituíram dois átomos de carbono por um átomo de silício.

Em redes de comunicação padrão, dispositivos chamados repetidores armazenam e retransmitem os sinais brevemente para permitir que eles viajem por distâncias maiores. Nathalie de Leon, professor assistente de engenharia elétrica da Universidade de Princeton e pesquisador principal, disse que os diamantes podem servir como repetidores quânticos para redes baseadas em qubits.

A ideia de um repetidor quântico existe há muito tempo, "mas ninguém sabia como construí-los, "De Leon disse." Estávamos tentando encontrar algo que funcionasse como o principal componente de um repetidor quântico.

O principal desafio na criação de repetidores quânticos foi encontrar um material que pudesse armazenar e transmitir qubits. Até aqui, a melhor maneira de transmitir qubits é codificá-los em partículas de luz, chamados fótons. As fibras ópticas usadas atualmente em grande parte da rede já transmitem informações por meio de fótons. Contudo, qubits em uma fibra óptica podem viajar apenas curtas distâncias antes que suas propriedades quânticas especiais sejam perdidas e as informações sejam embaralhadas. É difícil capturar e armazenar um fóton, que por definição se move na velocidade da luz.

Em vez de, pesquisadores têm olhado para sólidos como cristais para fornecer o armazenamento. Em um cristal, como um diamante, qubits poderiam teoricamente ser transferidos de fótons para elétrons, que são mais fáceis de armazenar. O lugar-chave para realizar essa transferência seriam as falhas no diamante, locais onde outros elementos além do carbono estão presos na rede de carbono do diamante. Os joalheiros sabem há séculos que as impurezas nos diamantes produzem cores diferentes. Para a equipe de Leon, esses centros de cores, como as impurezas são chamadas, representam uma oportunidade de manipular a luz e criar um repetidor quântico.

Pesquisadores anteriores tentaram primeiro usar defeitos chamados de vacâncias de nitrogênio - onde um átomo de nitrogênio toma o lugar de um dos átomos de carbono - mas descobriram que, embora esses defeitos armazenem informações, eles não têm as propriedades ópticas corretas. Outros então decidiram olhar para as lacunas de silício - a substituição de um átomo de carbono por um átomo de silício. Mas as vagas de silício, embora eles pudessem transferir as informações para os fótons, faltou longos tempos de coerência.

"Nós perguntamos, 'O que sabemos sobre o que causa as limitações desses dois centros de cores?', "De Leon disse." Podemos apenas projetar outra coisa do zero, algo que resolva todos esses problemas? "

A equipe liderada por Princeton e seus colaboradores decidiram fazer um experimento com a carga elétrica do defeito. As vagas de silício, em teoria, deveriam ser eletricamente neutras, mas acontece que outras impurezas próximas podem contribuir com cargas elétricas para o defeito. A equipe pensou que poderia haver uma conexão entre o estado de carga e a capacidade de manter os spins do elétron na orientação adequada para armazenar qubits.

Os pesquisadores fizeram parceria com a Element Six, uma empresa de fabricação de diamantes industriais, para construir vacâncias de silício eletricamente neutras. O Elemento Seis começou estabelecendo camadas de átomos de carbono para formar o cristal. Durante o processo, eles adicionaram átomos de boro, que têm o efeito de expulsar outras impurezas que poderiam estragar a carga neutra.

"Temos que fazer essa dança delicada de compensação de cobranças entre coisas que podem adicionar ou tirar cobranças, "De Leon disse." Nós controlamos a distribuição de carga dos defeitos de fundo nos diamantes, e isso nos permite controlar o estado de carga dos defeitos com os quais nos preocupamos. "

Próximo, os pesquisadores implantaram íons de silício no diamante, e então aqueceu os diamantes a altas temperaturas para remover outras impurezas que também poderiam doar cargas. Por meio de várias iterações de engenharia de materiais, além de análises realizadas em colaboração com cientistas do Gemological Institute of America, a equipe produziu vacâncias de silício neutro em diamantes.

A vacância de silício neutro é boa para transmitir informações quânticas usando fótons e armazenar informações quânticas usando elétrons, que são os principais ingredientes na criação da propriedade quântica essencial conhecida como emaranhamento, que descreve como os pares de partículas permanecem correlacionados, mesmo que se separem. Emaranhamento é a chave para a segurança da informação quântica:os destinatários podem comparar as medidas de seu par emaranhado para ver se um intruso corrompeu uma das mensagens.

A próxima etapa da pesquisa é construir uma interface entre a vacância de silício neutro e os circuitos fotônicos para trazer os fótons da rede para dentro e para fora do centro de cor.

Ania Bleszynski Jayich, um professor de física da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, disse que os pesquisadores enfrentaram com sucesso um desafio de longa data de encontrar uma falha de diamante com características favoráveis ​​para trabalhar com propriedades quânticas de fótons e elétrons.

"O sucesso da abordagem de engenharia de materiais dos autores para identificar plataformas quânticas promissoras com base em defeitos de estado sólido destaca a versatilidade dos defeitos de estado sólido e provavelmente inspirará uma pesquisa mais abrangente e extensa em uma seção transversal maior de material e candidatos a defeitos, "disse Jayich, que não participou da pesquisa.

A equipe de Princeton incluiu Brendon Rose, um associado de pesquisa de pós-doutorado, e os alunos de pós-graduação Ding Huang e Zi-Huai Zhang, que são membros do laboratório de Leon. A equipe de Leon também incluiu os associados de pesquisa de pós-doutorado Paul Stevenson, Sorawis Sangtawesin, e Srikanth Srinivasan, um ex-pesquisador de pós-doutorado agora na IBM. Contribuições adicionais vieram do pesquisador Alexei Tyryshkin e do Professor de Engenharia Elétrica Stephen Lyon. A equipe colaborou com Lorne Loudin no Gemological Institute of America e Matthew Markham, Andrew Edmonds e Daniel Twitchen no Element Six.