Le "tecnologie quantistiche" utilizzano i fenomeni unici della sovrapposizione quantistica e dell'entanglement per codificare ed elaborare le informazioni, con benefici potenzialmente profondi per un'ampia gamma di tecnologie dell'informazione, dalle comunicazioni al rilevamento e all'informatica.

Tuttavia una delle principali sfide nello sviluppo di queste tecnologie è che i fenomeni quantistici sono molto fragili, e solo una manciata di sistemi fisici sono stati identificati in cui sopravvivono abbastanza a lungo e sono sufficientemente controllabili per essere utili. I difetti atomici in materiali come il diamante sono uno di questi sistemi, ma la mancanza di tecniche per fabbricare e ingegnerizzare i difetti dei cristalli su scala atomica ha finora limitato i progressi.

Un team di scienziati dimostra, in un articolo pubblicato su ottica , il successo del nuovo metodo per creare particolari difetti nei diamanti noti come centri di colore azoto-vacanza (NV). Questi comprendono un'impurezza di azoto nel reticolo del diamante (carbonio) situato adiacente a un sito di reticolo vuoto o posto vacante. I centri NV vengono creati focalizzando una sequenza di impulsi laser ultraveloci nel diamante, il primo dei quali ha un'energia sufficientemente alta da generare posti vacanti al centro del fuoco laser, con successivi impulsi a energia inferiore per mobilitare i posti vacanti fino a quando uno di essi si lega a un'impurezza di azoto e forma il complesso richiesto.

La nuova ricerca è stata condotta da un team guidato dal Prof Jason Smith nel Dipartimento dei Materiali, Università di Oxford, e il Dr. Patrick Salter e il Prof Martin Booth nel Dipartimento di Scienze dell'Ingegneria, Università di Oxford, in collaborazione con i colleghi dell'Università di Warwick. Si è svolto nell'ambito del programma di ricerca di NQIT, il Quantum Computing Technology Hub del Quantum Technologies Program del Regno Unito, con il supporto di DeBeers UK che ha fornito il campione di diamante.

Il nuovo metodo degli scienziati prevede l'impiego di un sensibile monitor a fluorescenza per rilevare la luce emessa dalla regione focale, in modo che il processo possa essere attivamente controllato in risposta al segnale osservato. Combinando il controllo locale e il feedback, il nuovo metodo facilita la produzione di array di singoli centri NV con esattamente un centro colore in ogni sito, una capacità chiave nella creazione di tecnologie scalabili. Consente inoltre il posizionamento preciso dei difetti, importante per l'ingegnerizzazione dei dispositivi integrati. Il rapido processo in un'unica fase è facilmente automatizzato con ogni centro NV che richiede solo pochi secondi per essere creato.

Il professor Martin Booth afferma:"I centri del colore nel diamante offrono una piattaforma molto interessante per lo sviluppo di tecnologie quantistiche compatte e robuste, e questo nuovo processo è un potenziale punto di svolta nell'ingegnerizzazione dei materiali richiesti. C'è ancora molto lavoro da fare per ottimizzare il processo, ma si spera che questo passo contribuirà ad accelerare la consegna di queste tecnologie.'

Gli scienziati ritengono che questo metodo potrebbe essere utilizzato per fabbricare frammenti di diamante di dimensioni centimetriche contenenti 100, 000 o più centri NV come percorso verso il "Santo Graal" delle tecnologie quantistiche, un computer quantistico universale tollerante ai guasti.

Il professor Jason Smith afferma:"I primi computer quantistici stanno ora iniziando ad emergere, ma queste macchine, impressionanti come sono, solo graffiare la superficie di ciò che potrebbe essere ottenuto e le piattaforme utilizzate potrebbero non essere sufficientemente scalabili per realizzare tutta la potenza che l'informatica quantistica ha da offrire. I centri di colore del diamante possono fornire una soluzione a questo problema impacchettando alte densità di qubit su un chip a stato solido, che potrebbero essere intrecciati tra loro usando metodi ottici per formare il cuore di un computer quantistico. La capacità di scrivere centri NV in diamante con un alto grado di controllo è un primo passo essenziale verso questi e altri dispositivi.'