I computer quantistici sono dispositivi sperimentali che offrono grandi accelerazioni su alcuni problemi computazionali. Un approccio promettente per costruirli prevede lo sfruttamento di difetti atomici su scala nanometrica nei materiali diamantati.

Ma pratico, i dispositivi di calcolo quantistico basati su diamanti richiederanno la capacità di posizionare tali difetti in posizioni precise in complesse strutture di diamante, dove i difetti possono funzionare come qubit, le unità di base dell'informazione nell'informatica quantistica. Nell'oggi di Comunicazioni sulla natura , un team di ricercatori del MIT, Università di Harvard, e Sandia National Laboratories riporta una nuova tecnica per la creazione di difetti mirati, che è più semplice e più preciso dei suoi predecessori.

Negli esperimenti, i difetti prodotti dalla tecnica erano, in media, entro 50 nanometri dalla loro posizione ideale.

"Lo scenario dei sogni nell'elaborazione delle informazioni quantistiche è quello di creare un circuito ottico per trasportare i qubit fotonici e quindi posizionare una memoria quantistica ovunque ne abbiate bisogno, "dice Dirk Englund, un professore associato di ingegneria elettrica e informatica che ha guidato il team del MIT. "Ci siamo quasi con questo. Questi emettitori sono quasi perfetti."

Il nuovo documento ha 15 coautori. Sette sono del MIT, tra cui Englund e il primo autore Tim Schröder, che era un postdoc nel laboratorio di Englund quando il lavoro è stato completato ed è ora assistente professore presso l'Istituto Niels Bohr dell'Università di Copenaghen. Edward Bielejec guidava il team Sandia, e il professore di fisica Mikhail Lukin guidava il team di Harvard.

Difetti accattivanti

computer quantistici, che sono ancora in gran parte ipotetici, sfruttare il fenomeno della "sovrapposizione quantistica, " o la capacità controintuitiva di piccole particelle di abitare stati fisici contraddittori allo stesso tempo. Un elettrone, ad esempio, si può dire di essere in più di una posizione contemporaneamente, o avere entrambi i due orientamenti magnetici opposti.

Dove un bit in un computer convenzionale può rappresentare zero o uno, un "qubit, " o bit quantico, può rappresentare zero, uno, o entrambi contemporaneamente. È la capacità delle stringhe di qubit di, in un certo senso, esplorare contemporaneamente più soluzioni a un problema che promette velocità di calcolo.

I qubit con difetto di diamante derivano dalla combinazione di "posti vacanti, " che sono posizioni nel reticolo cristallino del diamante dove dovrebbe esserci un atomo di carbonio ma non ce n'è uno, e "dopanti, " che sono atomi di materiali diversi dal carbonio che hanno trovato la loro strada nel reticolo. Insieme, il drogante e il posto vacante creano un "centro di posti vacante, " a cui sono associati elettroni liberi. L'orientamento magnetico degli elettroni, o "giro, " che può essere in sovrapposizione, costituisce il qubit.

Un problema perenne nella progettazione dei computer quantistici è come leggere le informazioni dai qubit. I difetti del diamante rappresentano una soluzione semplice, perché sono emettitori di luce naturale. Infatti, le particelle di luce emesse dai difetti del diamante possono preservare la sovrapposizione dei qubit, in modo da poter spostare le informazioni quantistiche tra dispositivi di calcolo quantistico.

Interruttore al silicio

Il difetto del diamante più studiato è l'azoto vacante centro, che può mantenere la sovrapposizione più a lungo di qualsiasi altro qubit candidato. Ma emette luce in uno spettro di frequenze relativamente ampio, che può portare a imprecisioni nelle misurazioni su cui si basa il calcolo quantistico.

Nel loro nuovo documento, il MIT, Harvard, e i ricercatori di Sandia usano invece centri di posti vacanti al silicio, che emettono luce in una banda di frequenze molto ristretta. Non mantengono naturalmente anche la sovrapposizione, ma la teoria suggerisce che il loro raffreddamento fino a temperature nell'intervallo dei millikelvin, frazioni di grado sopra lo zero assoluto, potrebbe risolvere il problema. (I qubit del centro di disponibilità di azoto richiedono il raffreddamento a 4 kelvin relativamente miti.)

Per essere leggibile, però, i segnali dei qubit emettitori di luce devono essere amplificati, e deve essere possibile dirigerli e ricombinarli per eseguire calcoli. Ecco perché la capacità di localizzare con precisione i difetti è importante:è più facile incidere circuiti ottici in un diamante e quindi inserire i difetti nei punti giusti piuttosto che creare difetti a caso e quindi provare a costruire circuiti ottici attorno ad essi.

Nel processo descritto nel nuovo documento, i ricercatori del MIT e di Harvard hanno prima spianato un diamante sintetico fino a raggiungere uno spessore di soli 200 nanometri. Quindi hanno inciso delle cavità ottiche sulla superficie del diamante. Questi aumentano la brillantezza della luce emessa dai difetti (accorciando i tempi di emissione).

Poi hanno mandato il diamante alla squadra di Sandia, che hanno personalizzato un dispositivo commerciale chiamato Nano-Implanter per espellere flussi di ioni di silicio. I ricercatori di Sandia hanno sparato da 20 a 30 ioni di silicio in ciascuna delle cavità ottiche del diamante e l'hanno rimandato a Cambridge.

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A questo punto, solo il 2% circa delle cavità aveva associato centri di vacanza in silicio. Ma i ricercatori del MIT e di Harvard hanno anche sviluppato processi per far saltare il diamante con fasci di elettroni per produrre più posti vacanti, e poi riscaldando il diamante a circa 1, 000 gradi Celsius, che fa sì che i posti vacanti si muovano attorno al reticolo cristallino in modo che possano legarsi con gli atomi di silicio.

Dopo che i ricercatori hanno sottoposto il diamante a questi due processi, la resa era aumentata di dieci volte, al 20 per cento. In linea di principio, le ripetizioni dei processi dovrebbero aumentare ulteriormente la resa dei centri vacanti di silicio.

Quando i ricercatori hanno analizzato le posizioni dei centri vacanti di silicio, hanno scoperto che si trovavano entro circa 50 nanometri dalle loro posizioni ottimali sul bordo della cavità. Ciò si è tradotto in una luce emessa che era di circa l'85-90 percento più brillante che poteva essere, che è ancora molto buono.