L'archiviazione delle informazioni in un sistema di memoria quantistica è una sfida difficile, poiché i dati vengono generalmente persi rapidamente. A TU Vienna, tempi di conservazione ultra lunghi sono stati ora raggiunti utilizzando minuscoli diamanti.

Con le particelle quantistiche, le informazioni possono essere archiviate e manipolate:questa è la base di molte tecnologie molto promettenti, come sensori quantistici estremamente sensibili, comunicazione quantistica o persino computer quantistici. C'è, però, un problema significativo:è difficile conservare le informazioni in un sistema fisico quantistico per un lungo periodo di tempo. L'informazione quantistica tende a dissiparsi in frazioni di secondo a causa delle interazioni con l'ambiente.

Alla TU Wien è ora possibile archiviare informazioni quantistiche per ore alla volta utilizzando diamanti speciali. Ciò rende le informazioni quantistiche ancora più stabili rispetto alle informazioni convenzionali archiviate nella memoria di lavoro dei nostri computer. I risultati di questa ricerca sono stati ora pubblicati sulla rivista Materiali della natura .

Diamanti con difetti

Uno speciale sistema quantistico viene utilizzato alla TU Wien, che sta suscitando grande interesse in tutto il mondo. "Stiamo usando minuscoli diamanti seminati intenzionalmente con piccoli difetti, "dice Johannes Majer, Responsabile del gruppo di ricerca presso l'Istituto di fisica atomica e subatomica della TU Wien. Normalmente un diamante è composto solo da atomi di carbonio. Irradiando il diamante, è possibile introdurre un atomo di azoto nella struttura del diamante al posto di un atomo di carbonio in determinati punti, che poi lascia un punto non occupato nel reticolo cristallino accanto ad esso. Questo "difetto del reticolo" è noto come centro NV o centro di vacanza dell'azoto. L'atomo di azoto e il sito vuoto possono assumere stati diversi, quindi questo sito di difetto reticolare può essere utilizzato per memorizzare un bit quantistico di informazioni.

La questione decisiva è per quanto tempo queste informazioni rimangono stabili. "La scala temporale in cui un bit quantistico tipicamente perde la sua energia e con essa le informazioni memorizzate è tecnologicamente una delle caratteristiche più importanti di un tale bit quantistico, " spiega Thomas Astner, l'autore principale della pubblicazione. "Capire con precisione il motivo della perdita di energia e la velocità di questo processo è quindi cruciale".

Per la prima volta, gli scienziati dell'Istituto di fisica atomica e subatomica della TU Wien sono stati ora in grado di determinare sperimentalmente il periodo caratteristico durante il quale gli errori del diamante perdono la loro informazione quantistica. I diamanti sono stati accoppiati a microonde in modo che le informazioni quantistiche possano essere scritte e lette. Lo speciale risonatore a microonde utilizzato per questo scopo è stato sviluppato da Andreas Angerer presso TU Wien nel 2016. Può essere utilizzato per determinare, con grande precisione, quanta energia è ancora immagazzinata nel diamante.

Tempi record

Le misurazioni sono state effettuate a temperature molto basse, appena sopra lo zero assoluto di temperatura, a 20 millikelvin. Il calore disturberebbe l'ambiente del sistema e cancellerebbe le informazioni quantistiche. È diventato evidente che i diamanti possono memorizzare le loro informazioni per diverse ore, molto più a lungo di quanto si ritenesse possibile. "Le informazioni nel chip D-RAM di una normale memoria di computer sono molto meno stabili. Lì l'energia viene persa in poche centinaia di millisecondi, il che significa che le informazioni devono quindi essere aggiornate, "dice Johannes Majer.

Non tutti i diamanti con difetti offrono gli stessi periodi di conservazione. Il record è detenuto da un diamante speciale prodotto dal team che lavora con Junichi Isoya presso l'Università di Tsukuba in Giappone. È stato irradiato con elettroni per diversi mesi per generare il maggior numero possibile di difetti del centro N-V senza introdurre altri effetti dannosi. In questo diamante si potrebbe misurare un periodo di conservazione quantistica di 8 ore.

"Inizialmente non potevamo credere a questi meravigliosi risultati, " afferma Johannes Majer. Il fenomeno è stato quindi studiato a fondo utilizzando simulazioni al computer. Johannes Gugler e il professor Peter Mohn (anche lui alla TU Wien) hanno effettuato calcoli complessi che hanno portato alla spiegazione che la straordinaria stabilità della memoria quantistica del diamante è dovuta alla particolare rigidità reticolo di diamante. "Mentre altri materiali mostrano vibrazioni reticolari che possono portare rapidamente alla perdita delle informazioni memorizzate, l'accoppiamento delle informazioni quantistiche alle vibrazioni del reticolo è molto debole nei diamanti e l'energia può essere immagazzinata per ore, "dice Thomas Astner.