I difetti atomici nei diamanti possono essere usati come memorie quantistiche. I ricercatori della TU Wien sono riusciti per la prima volta ad accoppiare i difetti in vari diamanti usando la fisica quantistica.

I diamanti con minuscoli difetti potrebbero svolgere un ruolo cruciale nel futuro della tecnologia quantistica. Da un po 'di tempo, i ricercatori della TU Wien hanno studiato le proprietà quantistiche di tali diamanti, ma solo ora sono riusciti ad accoppiare tra loro i difetti specifici di due di questi diamanti. Questo è un presupposto importante per lo sviluppo di nuove applicazioni, come sensori e interruttori altamente sensibili per computer quantistici. I risultati della ricerca saranno ora pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Alla ricerca di un sistema quantistico adatto

"Sfortunatamente, gli stati quantistici sono molto fragili e decadono molto rapidamente", spiega Johannes Majer, capo del gruppo di ricerca quantistica ibrida, con sede presso l'Istituto di fisica atomica e subatomica della TU Wien. Per questa ragione, sono in corso ricerche approfondite con l'obiettivo di trovare sistemi quantistici utilizzabili per applicazioni tecniche. Anche se ci sono alcuni candidati promettenti con particolari vantaggi, fino ad ora non esisteva un sistema che soddisfacesse tutti i requisiti contemporaneamente.

"I diamanti con difetti molto specifici sono un potenziale candidato per rendere i computer quantistici una realtà", dice Johannes Maggiore. Un diamante puro è costituito esclusivamente da atomi di carbonio. In alcuni diamanti, però, ci possono essere punti in cui c'è un atomo di azoto invece di un atomo di carbonio e vicino a questo, all'interno della struttura atomica del diamante, c'è un'anomalia in cui non c'è alcun atomo - questo è indicato come un "posto vacante". Questo difetto, costituito dall'atomo di azoto e dalla vacanza, forma un sistema quantistico con uno stato di lunghissima durata, realizzare diamanti con questi particolari difetti ideali per gli esperimenti quantistici.

Tutto dipende dall'accoppiamento

Un importante prerequisito per molte applicazioni tecnologiche quantistiche è infatti la capacità di accoppiare tali sistemi quantistici insieme, che fino ad ora è stato poco possibile per i sistemi diamantati. "L'interazione tra due di questi difetti di azoto-vacanza è estremamente debole e ha solo una portata di circa 10 nanometri", dice Maggiore.

Però, questa impresa è stata ora raggiunta; anche se con l'aiuto di un chip quantistico superconduttore che produce radiazioni a microonde. Da alcuni anni ormai, il team di TU Wien ha studiato come manipolare i diamanti con l'aiuto delle microonde:"miliardi di difetti di assenza di azoto nei diamanti sono accoppiati collettivamente con un campo di microonde", dice Maggiore. "In questo modo, lo stato quantico dei diamanti può essere manipolato e letto".

Ora, il team è riuscito a fare il passo successivo:sono riusciti ad accoppiare due diamanti diversi, uno a ciascuna estremità del chip, producendo così un'interazione tra i due diamanti. "Questa interazione è mediata dal risonatore a microonde nel chip in mezzo; qui, il risonatore svolge un ruolo simile a quello di un bus dati in un normale computer", dice Johannes Maggiore.

L'accoppiamento tra i due diamanti può essere attivato e disattivato in modo selettivo:"i due diamanti vengono ruotati l'uno contro l'altro di una certa angolazione", riferisce Thomas Astner, l'autore principale dell'opera in corso. "Inoltre, viene applicato un campo magnetico, con la direzione che gioca un ruolo decisivo:se entrambi i diamanti sono allineati con lo stesso angolo all'interno del campo magnetico, poi possono essere accoppiati usando la fisica quantistica. Con altre direzioni del campo magnetico, è possibile indagare i singoli diamanti senza accoppiamento". I primi passi nell'esperimento sono stati compiuti da Noomi Peterschofsky come parte della sua tesi di laurea. Thomas Astner e Stefan Nevlacsil sono successivamente riusciti a dimostrare l'accoppiamento dei diamanti in un esperimento come parte di loro tesi di laurea magistrale.