Raggiungere l'immensa promessa dell'informatica quantistica richiede nuovi sviluppi a tutti i livelli, compreso l'hardware informatico stesso. Un team internazionale di ricercatori guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha scoperto un modo per utilizzare i fasci di ioni per creare lunghe stringhe di qubit "centro colore" in diamante. Il loro lavoro è dettagliato nella rivista Lettere di fisica applicata .

Gli autori includono diversi del Berkeley Lab:Arun Persaud, che ha condotto lo studio, e Thomas Schenkel, capo del programma Fusion Science &Ion Beam Technology della divisione Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP), così come Casey Christian (ora con la divisione di fisica del Berkeley Lab), Edward Barnard della fonderia molecolare di Berkeley Lab, e l'affiliato ATAP Russell E. Lake.

Creazione di un gran numero di bit quantistici di alta qualità (qubit), abbastanza vicini per accoppiarsi tra loro, è una delle grandi sfide dell'informatica quantistica. Collaborando con i colleghi di tutto il mondo, il team ha esplorato l'uso di fasci di ioni per creare centri di colore artificiali in diamante da utilizzare come qubit.

I centri di colore sono difetti microscopici:deviazioni dalla rigorosa struttura reticolare di un cristallo, come il diamante. Il tipo di difetto di interesse specifico per i qubit è un atomo di azoto accanto a un posto vacante, o spazio vuoto, in un reticolo di diamanti. (L'azoto si trova comunemente nel reticolo cristallino del diamante, che è principalmente una forma cristallina di carbonio, e può contribuire al colore della pietra.)

Quando eccitato dalla rapida deposizione di energia di uno ione di passaggio, centri di azoto vacanti possono formarsi nel reticolo del diamante. Gli spin elettronici e nucleari dei centri di vacanza dell'azoto e degli atomi di carbonio adiacenti possono funzionare tutti come qubit allo stato solido, e il reticolo cristallino può aiutare a proteggere la loro coerenza e il reciproco coinvolgimento.

Il risultato è un sistema fisicamente durevole che non deve essere utilizzato in un ambiente criogenico, che sono attributi interessanti per i sensori quantistici e anche per i qubit in questo tipo di computer quantistico a stato solido. Però, fare abbastanza qubit, e facendoli avvicinare abbastanza l'uno all'altro, è stata una sfida.

Quando ioni pesanti veloci (ad alta energia) come i raggi utilizzati da questa squadra, ioni d'oro con un'energia cinetica di circa un miliardo di elettronvolt, passano attraverso un materiale, come il diamante drogato con azoto, lasciano una scia di centri vacanti di azoto lungo le loro tracce. Si è scoperto che i centri di colore si formano direttamente, senza necessità di ulteriore ricottura (trattamento termico). Cosa c'è di più, si formarono lungo le tracce ioniche, piuttosto che solo alla fine della gamma di ioni, come ci si aspettava da studi precedenti con ioni a bassa energia. In queste diritte "catene di percolazione, "i qubit color-center sono allineati su distanze di decine di micron, e sono a pochi nanometri dai loro vicini più prossimi. Una tecnica sviluppata dalla Molecular Foundry di Berkeley Lab ha misurato i centri di colore con una risoluzione di profondità.

Il lavoro sulla sintesi di qubit lontano dall'equilibrio è stato sostenuto dall'Ufficio di Scienze del Dipartimento di Energia. Il prossimo passo nella ricerca sarà quello di ritagliare fisicamente un gruppo di questi centri di colore, che sono come una serie di perline su una corda, e mostrare che sono davvero così strettamente accoppiati da poter essere usati come registri quantistici.

I risultati pubblicati nel presente articolo mostrano che sarà possibile formare registri quantistici fino a circa 10, 000 qubit accoppiati, due ordini di grandezza superiori a quelli ottenuti finora con la tecnologia complementare dei qubit a trappola ionica, su una distanza di circa 50 micron (circa la larghezza di un capello umano).

"Le interazioni di ioni pesanti veloci con i materiali sono state studiate per decenni per una varietà di scopi, compreso il comportamento dei materiali nucleari e gli effetti dei raggi cosmici sull'elettronica, ", ha detto Schenkel.

Ha aggiunto che i ricercatori di tutto il mondo hanno cercato di creare materiali quantistici inducendo artificialmente centri di colore nel diamante. "Gli approcci allo stato solido all'hardware di calcolo quantistico scalano magnificamente, ma l'integrazione è stata una sfida. Questa è la prima volta che è stata osservata la formazione diretta di qubit centro colore lungo le stringhe".

Le stelle, come i diamanti

Su scala minuscola ed effimera (nanometri e picosecondi) la deposizione di energia da parte dei fasci di ioni produce uno stato di alta temperatura, che Schenkel paragona alla superficie del sole, nella gamma 5000K, e pressione. Oltre a far fuoriuscire gli atomi di carbonio dal reticolo cristallino del diamante, questo effetto potrebbe consentire studi fondamentali di stati esotici di materia densa calda transitoria, uno stato della materia che è presente in molte stelle e grandi pianeti e che è difficile da studiare direttamente sulla Terra.

Potrebbe anche consentire la formazione di nuovi qubit con proprietà su misura che non possono essere formati con metodi convenzionali. "Questo apre una nuova direzione per espandere la nostra capacità di formare registri quantistici, ", ha detto Schenkel.

Attualmente, le stringhe color-center sono formate con fasci di grandi acceleratori di particelle, come quello del laboratorio tedesco GSI che è stato utilizzato in questa ricerca. Nel futuro, potrebbero essere realizzati utilizzando acceleratori laser-plasma compatti come quelli sviluppati presso il Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center.

Il Centro BELLA sta attivamente sviluppando le sue capacità di accelerazione ionica con il finanziamento dell'Ufficio scientifico del DOE. Queste funzionalità verranno utilizzate come parte di LaserNetUS. Gli impulsi ionici dell'accelerazione laser-plasma sono molto intensi ed espandono notevolmente la nostra capacità di formare stati transitori di materiali altamente eccitati e caldi per la sintesi di qubit in condizioni nuove.

Più sfaccettature nella scienza dei materiali lontane dall'equilibrio

Il processo di creazione di questi centri di colore è di per sé interessante e deve essere compreso meglio come parte di ulteriori progressi in queste applicazioni. I dettagli di come un intenso fascio di ioni deposita energia mentre attraversa i campioni di diamante, e l'esatto meccanismo con cui questo porta alla formazione del centro di colore, mantenere interessanti prospettive per ulteriori ricerche.

"Questo lavoro dimostra sia le opportunità della scienza delle scoperte che il potenziale per le innovazioni trasformative della società rese possibili dai fasci degli acceleratori, " afferma Cameron Geddes, Direttore della Divisione ATAP. "Con gli acceleratori, creiamo stati unici della materia e nuove capacità che non sono possibili con altri mezzi."