Las computadoras cuánticas son dispositivos experimentales que ofrecen grandes aceleraciones en algunos problemas computacionales. Un enfoque prometedor para construirlas implica aprovechar los defectos atómicos a escala nanométrica en los materiales de diamante.
Pero los dispositivos prácticos de computación cuántica basados en diamantes requerirán la capacidad de colocar esos defectos en ubicaciones precisas en estructuras complejas de diamantes, donde los defectos pueden funcionar como qubits, las unidades básicas de información en la computación cuántica. En Comunicaciones de la naturaleza , un equipo de investigadores del MIT, la Universidad de Harvard y Sandia National Laboratories informa sobre una nueva técnica para crear defectos específicos, que es más simple y precisa que sus predecesoras.
En los experimentos, los defectos producidos por la técnica estaban, en promedio, dentro de los 50 nanómetros de sus ubicaciones ideales.
"El escenario soñado en el procesamiento de información cuántica es hacer un circuito óptico para trasladar qubits fotónicos y luego colocar una memoria cuántica donde la necesite", dice Dirk Englund, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática que dirigió el equipo del MIT. "Ya casi llegamos con esto. Estos emisores son casi perfectos".
El nuevo artículo tiene 15 coautores. Siete son del MIT, incluido Englund y el primer autor Tim Schröder, quien era un postdoctorado en el laboratorio de Englund cuando se realizó el trabajo y ahora es profesor asistente en el Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague.Edward Bielejec dirigió el equipo de Sandia y el profesor de física Mikhail Lukin dirigió el equipo de Harvard.
Apelar defectos
Las computadoras cuánticas, que todavía son en gran parte hipotéticas, explotan el fenómeno de la "superposición" cuántica, o la capacidad contradictoria de las partículas pequeñas para habitar estados físicos contradictorios al mismo tiempo. Se puede decir que un electrón, por ejemplo, está en másde una ubicación simultáneamente, o tener dos orientaciones magnéticas opuestas.
Donde un bit en una computadora convencional puede representar cero o uno, un "qubit" o bit cuántico puede representar cero, uno o ambos al mismo tiempo. Es la capacidad de cadenas de qubits para, en cierto sentido,explorar simultáneamente múltiples soluciones a un problema que promete aceleraciones computacionales.
Los qubits con defectos de diamante resultan de la combinación de "vacantes", que son ubicaciones en la red cristalina del diamante donde debería haber un átomo de carbono pero no hay uno, y "dopantes", que son átomos de materiales distintos del carbono.que han encontrado su camino hacia la red. Juntos, el dopante y la vacante crean un "centro" de dopante-vacante, que tiene electrones libres asociados. La orientación magnética de los electrones, o "espín", que puede estar en superposición,constituye el qubit.
Un problema perenne en el diseño de computadoras cuánticas es cómo leer información de qubits. Los defectos de diamante presentan una solución simple, porque son emisores de luz natural. De hecho, las partículas de luz emitidas por defectos de diamante pueden preservar la superposición de losqubits, para que pudieran mover información cuántica entre dispositivos de computación cuántica.
interruptor de silicona
El defecto de diamante más estudiado es el centro de vacantes de nitrógeno, que puede mantener la superposición durante más tiempo que cualquier otro qubit candidato. Pero emite luz en un espectro de frecuencias relativamente amplio, lo que puede dar lugar a inexactitudes en las mediciones en las que la computación cuánticaconfía.
En su nuevo artículo, los investigadores del MIT, Harvard y Sandia, en cambio, utilizan centros de vacantes de silicio, que emiten luz en una banda de frecuencias muy estrecha. Naturalmente, tampoco mantienen la superposición, pero la teoría sugiere que enfriarlosa temperaturas en el rango de milikelvin - fracciones de un grado por encima del cero absoluto - podría resolver ese problema los qubits de nitrógeno-centro de vacantes requieren enfriamiento a 4 kelvin relativamente suaves.
Sin embargo, para ser legibles, las señales de los qubits emisores de luz deben amplificarse y debe ser posible dirigirlas y recombinarlas para realizar cálculos. Por eso es importante la capacidad de localizar defectos con precisión: es más fácil degrabe los circuitos ópticos en un diamante y luego inserte los defectos en los lugares correctos para crear defectos al azar y luego intente construir circuitos ópticos alrededor de ellos.
En el proceso descrito en el nuevo artículo, los investigadores del MIT y Harvard primero cepillaron un diamante sintético hasta que tenía solo 200 nanómetros de grosor. Luego grabaron cavidades ópticas en la superficie del diamante. Éstas aumentan el brillo de la luz emitida por eldefectos acortando los tiempos de emisión.
Luego enviaron el diamante al equipo de Sandia, que personalizaron un dispositivo comercial llamado Nano-Implanter para expulsar corrientes de iones de silicio. Los investigadores de Sandia dispararon de 20 a 30 iones de silicio en cada una de las cavidades ópticas del diamante y enviaronvolver a Cambridge.
vacantes móviles
En este punto, solo alrededor del 2 por ciento de las cavidades tenían centros de vacantes de silicio asociados. Pero los investigadores del MIT y Harvard también han desarrollado procesos para explotar el diamante con haces de electrones para producir más vacantes y luego calentar el diamante a aproximadamente1,000 grados Celsius, lo que hace que las vacantes se muevan alrededor de la red cristalina para que puedan unirse con átomos de silicio.
Después de que los investigadores sometieron el diamante a estos dos procesos, el rendimiento se había multiplicado por diez, hasta el 20 por ciento. En principio, las repeticiones de los procesos deberían aumentar aún más el rendimiento de los centros vacantes de silicio.
Cuando los investigadores analizaron las ubicaciones de los centros vacantes de silicio, encontraron que estaban dentro de unos 50 nanómetros de sus posiciones óptimas en el borde de la cavidad. Eso se tradujo en una luz emitida que era aproximadamente del 85 al 90 por ciento tan brillante comopodría ser, lo que sigue siendo muy bueno.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Larry Hardesty. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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