Un Internet quantistico promette una comunicazione completamente sicura. Ma l'utilizzo di bit o qubit quantistici per trasportare informazioni richiede un componente hardware radicalmente nuovo:una memoria quantistica. Questo dispositivo su scala atomica deve memorizzare informazioni quantistiche e convertirle in luce per trasmetterle attraverso la rete.

Una delle principali sfide a questa visione è che i qubit sono estremamente sensibili al loro ambiente, anche le vibrazioni degli atomi vicini possono interrompere la loro capacità di ricordare le informazioni. Finora, i ricercatori hanno fatto affidamento su temperature estremamente basse per ridurre le vibrazioni ma, raggiungere quelle temperature per le reti quantistiche su larga scala è proibitivo.

Ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e dell'Università di Cambridge hanno sviluppato una soluzione di memoria quantistica semplice come accordare una chitarra.

I ricercatori hanno progettato stringhe di diamante che possono essere sintonizzate per calmare l'ambiente di un qubit e migliorare la memoria da decine a diverse centinaia di nanosecondi, tempo sufficiente per eseguire molte operazioni su un chip quantistico.

"Le impurità nel diamante sono emerse come nodi promettenti per le reti quantistiche, " ha detto Marko Loncar, il Tiantsai Lin Professor di Ingegneria Elettrica presso SEAS e autore senior della ricerca. "Però, non sono perfetti. Alcuni tipi di impurità sono davvero efficaci nel trattenere le informazioni ma hanno difficoltà a comunicare, mentre altri sono davvero buoni comunicatori ma soffrono di perdita di memoria. In questo lavoro, abbiamo preso quest'ultimo tipo e migliorato la memoria di dieci volte."

La ricerca è pubblicata su Comunicazioni sulla natura .

Impurità nel diamante, noti come centri di colore vacancy al silicio, sono potenti qubit. Un elettrone intrappolato al centro funge da bit di memoria e può emettere singoli fotoni di luce rossa, che a loro volta fungerebbero da vettori di informazioni a lunga distanza di un Internet quantistico. Ma con gli atomi vicini nel cristallo di diamante che vibrano casualmente, l'elettrone al centro dimentica rapidamente qualsiasi informazione quantistica che gli viene chiesto di ricordare.

"Essere un elettrone in un centro di colore è come cercare di studiare in un mercato rumoroso, " disse Srujan Meesala, uno studente laureato presso SEAS e co-primo autore del documento. "C'è tutto questo rumore intorno a te. Se vuoi ricordare qualcosa, devi chiedere alla folla di stare zitta o trovare un modo per concentrarti sul rumore. Noi abbiamo fatto quest'ultima".

Per migliorare la memoria in un ambiente rumoroso, i ricercatori hanno scolpito il cristallo di diamante che ospita il centro del colore in un filo sottile, circa un micron di larghezza, cento volte più sottile di una ciocca di capelli, e elettrodi attaccati su entrambi i lati. Applicando una tensione, il filo di diamante si allunga e aumenta la frequenza delle vibrazioni a cui l'elettrone è sensibile, proprio come stringere una corda di chitarra aumenta la frequenza o il tono della corda.

"Creando tensione nella corda, aumentiamo la scala energetica delle vibrazioni a cui l'elettrone è sensibile, il che significa che ora può sentire solo vibrazioni energetiche molto elevate, " disse Meesala. "Questo processo trasforma efficacemente le vibrazioni circostanti nel cristallo in un ronzio di fondo irrilevante, permettendo all'elettrone all'interno del posto vacante di contenere comodamente le informazioni per centinaia di nanosecondi, che può essere davvero lungo sulla scala quantistica. Una sinfonia di queste corde di diamante sintonizzabili potrebbe fungere da spina dorsale di una futura Internet quantistica".

Prossimo, i ricercatori sperano di estendere la memoria dei qubit al millisecondo, che consentirebbe centinaia di migliaia di operazioni e comunicazioni quantistiche a lunga distanza.