I diamanti sono apprezzati per la loro purezza, ma i loro difetti potrebbero contenere la chiave per un nuovo tipo di comunicazioni altamente sicure.

I ricercatori dell'Università di Princeton stanno usando i diamanti per aiutare a creare una rete di comunicazione che si basa su una proprietà delle particelle subatomiche nota come il loro stato quantico. I ricercatori ritengono che tali reti di informazioni quantistiche sarebbero estremamente sicure e potrebbero anche consentire ai nuovi computer quantistici di lavorare insieme per completare problemi attualmente irrisolvibili. Ma gli scienziati che attualmente progettano queste reti devono affrontare diverse sfide, incluso come preservare le informazioni quantistiche fragili su lunghe distanze.

Ora, i ricercatori sono arrivati ​​a una possibile soluzione utilizzando diamanti sintetici.

In un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Scienza , i ricercatori descrivono come sono stati in grado di memorizzare e trasmettere bit di informazioni quantistiche, conosciuti come qubit, utilizzando un diamante in cui avevano sostituito due atomi di carbonio con un atomo di silicio.

Nelle reti di comunicazione standard, i dispositivi chiamati ripetitori memorizzano e ritrasmettono brevemente i segnali per consentire loro di percorrere distanze maggiori. Nathalie de Leon, un assistente professore di ingegneria elettrica all'Università di Princeton e il ricercatore capo, ha affermato che i diamanti potrebbero fungere da ripetitori quantistici per reti basate su qubit.

L'idea di un ripetitore quantistico esiste da molto tempo, "ma nessuno sapeva come costruirli, " ha detto de Leon. "Stavamo cercando di trovare qualcosa che fungesse da componente principale di un ripetitore quantistico".

La sfida chiave nella creazione di ripetitori quantistici è stata trovare un materiale in grado di memorizzare e trasmettere qubit. Finora, il modo migliore per trasmettere i qubit è codificarli in particelle di luce, chiamati fotoni. Le fibre ottiche attualmente utilizzate in gran parte della rete trasmettono già informazioni tramite fotoni. Però, i qubit in una fibra ottica possono percorrere solo brevi distanze prima che le loro speciali proprietà quantistiche vadano perse e le informazioni vengano confuse. È difficile intrappolare e immagazzinare un fotone, che per definizione si muove alla velocità della luce.

Anziché, i ricercatori hanno cercato solidi come i cristalli per fornire lo stoccaggio. In un cristallo, come un diamante, i qubit potrebbero teoricamente essere trasferiti dai fotoni agli elettroni, che sono più facili da conservare. Il posto chiave per effettuare un tale trasferimento sarebbe difetti all'interno del diamante, luoghi in cui elementi diversi dal carbonio sono intrappolati nel reticolo di carbonio del diamante. I gioiellieri sanno da secoli che le impurità nei diamanti producono colori diversi. Alla squadra di de Leon, questi centri di colore, come si chiamano le impurità, rappresentano un'opportunità per manipolare la luce e creare un ripetitore quantistico.

I ricercatori precedenti hanno prima provato a utilizzare difetti chiamati vacanze di azoto, in cui un atomo di azoto prende il posto di uno degli atomi di carbonio, ma hanno scoperto che sebbene questi difetti memorizzino informazioni, non hanno le proprietà ottiche corrette. Altri hanno poi deciso di esaminare i posti vacanti di silicio, la sostituzione di un atomo di carbonio con un atomo di silicio. Ma posti vacanti di silicio, mentre potrebbero trasferire le informazioni ai fotoni, mancavano lunghi tempi di coerenza.

"Noi abbiamo chiesto, "Cosa sappiamo su cosa causa i limiti di questi due centri di colore?", " ha detto de Leon. "Possiamo progettare qualcos'altro da zero, qualcosa che risolva tutti questi problemi?"

Il team guidato da Princeton e i suoi collaboratori decisero di sperimentare la carica elettrica del difetto. I posti vacanti di silicio in teoria dovrebbero essere elettricamente neutri, ma risulta che altre impurità vicine possono contribuire con cariche elettriche al difetto. Il team ha pensato che potesse esserci una connessione tra lo stato di carica e la capacità di mantenere gli spin degli elettroni nell'orientamento corretto per memorizzare i qubit.

I ricercatori hanno collaborato con Element Six, un'azienda produttrice di diamanti industriali, costruire posti vacanti in silicio elettricamente neutri. L'Elemento Sei ha iniziato depositando strati di atomi di carbonio per formare il cristallo. Durante il processo, hanno aggiunto atomi di boro, che hanno l'effetto di spiazzare altre impurità che potrebbero rovinare la carica neutra.

"Dobbiamo fare questa delicata danza di compensazione delle spese tra cose che possono aggiungere o togliere spese, " ha detto de Leon. "Controlliamo la distribuzione della carica dai difetti di fondo nei diamanti, e questo ci consente di controllare lo stato di carica dei difetti a cui teniamo".

Prossimo, i ricercatori hanno impiantato ioni di silicio nel diamante, e poi scaldato i diamanti ad alte temperature per rimuovere altre impurità che potrebbero donare cariche. Attraverso diverse iterazioni di ingegneria dei materiali, più analisi eseguite in collaborazione con scienziati del Gemological Institute of America, il team ha prodotto posti vacanti di silicio neutro nei diamanti.

Il posto vacante di silicio neutro è buono sia per trasmettere informazioni quantistiche usando fotoni che per immagazzinare informazioni quantistiche usando elettroni, che sono ingredienti chiave nella creazione della proprietà quantistica essenziale nota come entanglement, che descrive come le coppie di particelle rimangono correlate anche se si separano. L'entanglement è la chiave per la sicurezza delle informazioni quantistiche:i destinatari possono confrontare le misurazioni della loro coppia entangled per vedere se un intercettatore ha corrotto uno dei messaggi.

Il prossimo passo nella ricerca è costruire un'interfaccia tra la vacanza neutra di silicio e i circuiti fotonici per portare i fotoni dalla rete dentro e fuori il centro colore.

Ania Bleszynski Jayich, professore di fisica all'Università della California, Santa Barbara, ha affermato che i ricercatori hanno affrontato con successo una sfida di lunga data di trovare un difetto di diamante con caratteristiche favorevoli a lavorare con proprietà quantistiche di fotoni ed elettroni.

"Il successo dell'approccio di ingegneria dei materiali degli autori all'identificazione di piattaforme quantistiche promettenti basate sui difetti allo stato solido evidenzia la versatilità dei difetti allo stato solido ed è probabile che ispiri una ricerca più completa ed estesa su una sezione trasversale più ampia di materiale e candidati difettosi, " ha detto Jayich, che non è stato coinvolto nella ricerca.

Il team di Princeton includeva Brendon Rose, un associato di ricerca post-dottorato, e gli studenti laureati Ding Huang e Zi-Huai Zhang, che sono membri del laboratorio di de Leon. Il team di de Leon comprendeva anche gli associati di ricerca post-dottorato Paul Stevenson, Sorawis Sangtawesin, e Srikanth Srinivasan, un ex ricercatore postdottorato ora presso IBM. Ulteriori contributi sono venuti dal ricercatore del personale Alexei Tyryshkin e dal professore di ingegneria elettrica Stephen Lyon. Il team ha collaborato con Lorne Loudin al Gemological Institute of America e Matthew Markham, Andrew Edmonds e Daniel Twitchen all'Elemento Sei.