p Alcançar a imensa promessa da computação quântica requer novos desenvolvimentos em todos os níveis, incluindo o próprio hardware de computação. Uma equipe internacional de pesquisadores liderada pelo Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) descobriu uma maneira de usar feixes de íons para criar longas sequências de qubits de "centro de cor" em diamante. Seu trabalho é detalhado no jornal Cartas de Física Aplicada . p Os autores incluem vários do Berkeley Lab:Arun Persaud, quem liderou o estudo, e Thomas Schenkel, chefe da Divisão de Tecnologia de Acelerador e Física Aplicada (ATAP) da Divisão de Ciência de Fusão e Programa de Tecnologia de Feixe de Íons, bem como Casey Christian (agora na Divisão de Física do Berkeley Lab), Edward Barnard, da Fundição Molecular do Berkeley Lab, e Russell E. Lake, afiliado do ATAP.

p Criação de um grande número de bits quânticos de alta qualidade (qubits), em proximidade suficiente para acoplar um ao outro, é um dos grandes desafios da computação quântica. Colaborando com colegas em todo o mundo, a equipe tem explorado o uso de feixes de íons para criar centros de cores artificiais em diamante para uso como qubits.

p Os centros de cores são defeitos microscópicos - desvios da estrutura de rede rigorosa de um cristal, como diamante. O tipo de defeito de interesse específico para qubits é um átomo de nitrogênio próximo a um vazio, ou espaço vazio, em uma estrutura de diamante. (O nitrogênio é comumente encontrado na estrutura cristalina do diamante, que é principalmente uma forma cristalina de carbono, e pode contribuir para a cor da pedra.)

p Quando excitado pela rápida deposição de energia de um íon de passagem, centros de vacância de nitrogênio podem se formar na estrutura do diamante. Os spins de elétrons e nucleares dos centros de vacância de nitrogênio e os átomos de carbono adjacentes podem funcionar como qubits de estado sólido, e a estrutura de cristal pode ajudar a proteger sua coerência e emaranhamento mútuo.

p O resultado é um sistema fisicamente durável que não precisa ser usado em um ambiente criogênico, que são atributos atraentes para sensores quânticos e também para qubits neste tipo de computador quântico de estado sólido. Contudo, fazendo qubits suficientes, e torná-los próximos o suficiente um do outro, tem sido um desafio.

p Quando íons pesados ​​rápidos (de alta energia), como os feixes que esta equipe usou - íons de ouro com uma energia cinética de cerca de um bilhão de elétron-volts - passam por um material, como diamante dopado com nitrogênio, eles deixam um rastro de centros de vacância de nitrogênio ao longo de suas trilhas. Os centros de cores formaram-se diretamente, sem necessidade de recozimento adicional (tratamento térmico). O que mais, eles se formaram ao longo das trilhas de íons, em vez de apenas no final da faixa de íons, como era esperado em estudos anteriores com íons de energia mais baixa. Nessas "cadeias de percolação", "os qubits do centro da cor estão alinhados a distâncias de dezenas de mícrons, e estão a apenas alguns nanômetros de seus vizinhos mais próximos. Uma técnica desenvolvida pela Fundição Molecular do Berkeley Lab mede centros de cores com resolução de profundidade.

p O trabalho sobre a síntese de qubit longe do equilíbrio foi apoiado pelo Departamento de Energia do Escritório de Ciência. A próxima etapa da pesquisa será cortar fisicamente um grupo desses centros de cores - que são como uma série de contas em um cordão - e mostrar que eles estão de fato tão intimamente ligados que podem ser usados ​​como registradores quânticos.

p Os resultados publicados no presente artigo mostram que será possível formar registros quânticos com até cerca de 10, 000 qubits acoplados - duas ordens de magnitude maior do que a alcançada até agora com a tecnologia complementar de qubits de armadilha de íons - a uma distância de cerca de 50 mícrons (aproximadamente a largura de um cabelo humano).

p "As interações de íons pesados ​​rápidos com materiais foram estudadas por décadas para uma variedade de finalidades, incluindo o comportamento de materiais nucleares e os efeitos dos raios cósmicos na eletrônica, "disse Schenkel.

p Ele acrescentou que pesquisadores em todo o mundo têm procurado fazer materiais quânticos induzindo artificialmente centros de cores no diamante. "As abordagens de estado sólido para o hardware de computação quântica escalam lindamente, mas a integração tem sido um desafio. Esta é a primeira vez que a formação direta de qubits no centro da cor ao longo das cordas foi observada. "

p As estrelas, como diamantes

p Em uma escala minúscula e efêmera (nanômetros e picossegundos), a deposição de energia pelos feixes de íons produz um estado de alta temperatura, que Schenkel compara à superfície do sol, na faixa de 5000 K, e pressão. Além de tirar átomos de carbono da rede de cristal do diamante, este efeito pode permitir estudos fundamentais de estados exóticos de matéria densa quente transitória, um estado da matéria que está presente em muitas estrelas e grandes planetas e que é difícil de estudar diretamente na Terra.

p Também pode permitir a formação de novos qubits com propriedades personalizadas que não podem ser formadas com métodos convencionais. "Isso abre uma nova direção para expandir nossa capacidade de formar registros quânticos, "disse Schenkel.

p Atualmente, cordas com centro de cor são formadas com feixes de grandes aceleradores de partículas, como o do laboratório alemão GSI que foi usado nesta pesquisa. No futuro, eles podem ser feitos usando aceleradores de plasma a laser compactos como os que estão sendo desenvolvidos no Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center.

p O BELLA Center está desenvolvendo ativamente suas capacidades de aceleração de íons com financiamento do DOE Office of Science. Esses recursos serão usados ​​como parte do LaserNetUS. Pulsos de íons de aceleração de plasma a laser são muito intensos e expandem muito nossa capacidade de formar estados transientes de materiais altamente excitados e quentes para a síntese de qubit sob novas condições.

p Mais facetas da ciência dos materiais longe do equilíbrio

p O processo de criação desses centros de cores é interessante por si só e deve ser melhor compreendido como parte do progresso futuro dessas aplicações. Os detalhes de como um feixe de íons intenso deposita energia à medida que atravessa as amostras de diamante, e o mecanismo exato pelo qual isso leva à formação do centro de cor, mantenha perspectivas empolgantes para pesquisas futuras.

p "Este trabalho demonstra as oportunidades da ciência de descoberta e o potencial para inovações socialmente transformadoras possibilitadas pelos feixes de aceleradores, "diz o Diretor da Divisão ATAP, Cameron Geddes." Com aceleradores, criamos estados únicos da matéria e novas capacidades que não são possíveis por outros meios. "