Los diamantes son apreciados por su pureza, pero sus defectos pueden ser la clave para un nuevo tipo de comunicaciones altamente seguras.
Los investigadores de la Universidad de Princeton están utilizando diamantes para ayudar a crear una red de comunicación que se base en una propiedad de partículas subatómicas conocida como su estado cuántico. Los investigadores creen que dichas redes de información cuántica serían extremadamente seguras y también podrían permitir que las nuevas computadoras cuánticas trabajen juntas para completarproblemas que actualmente no se pueden resolver, pero los científicos que actualmente diseñan estas redes enfrentan varios desafíos, incluida la forma de preservar la información cuántica frágil a largas distancias.
Ahora, los investigadores han llegado a una posible solución utilizando diamantes sintéticos.
En un artículo publicado esta semana en la revista ciencia , los investigadores describen cómo pudieron almacenar y transmitir bits de información cuántica, conocidos como qubits, usando un diamante en el que habían reemplazado dos átomos de carbono con un átomo de silicio.
En las redes de comunicaciones estándar, los dispositivos llamados repetidores almacenan brevemente y retransmiten señales para permitirles viajar distancias más largas. Nathalie de Leon, profesora asistente de ingeniería eléctrica en la Universidad de Princeton y la investigadora principal, dijo que los diamantes podrían servir como cuánticos.repetidores para redes basadas en qubits.
La idea de un repetidor cuántico ha existido durante mucho tiempo, "pero nadie sabía cómo construirlos", dijo De Leon. "Estábamos tratando de encontrar algo que actuara como el componente principal de un repetidor cuántico".
El desafío clave en la creación de repetidores cuánticos ha sido encontrar un material que pueda almacenar y transmitir qubits. Hasta ahora, la mejor manera de transmitir qubits es codificarlos en partículas de luz, llamadas fotones. Las fibras ópticas actualmente utilizadas en gran parte dela red ya transmite información a través de fotones. Sin embargo, los qubits en una fibra óptica pueden viajar solo distancias cortas antes de que sus propiedades cuánticas especiales se pierdan y la información se codifique. Es difícil atrapar y almacenar un fotón, que por definición se mueve a la velocidadde luz.
En cambio, los investigadores han buscado sólidos como cristales para proporcionar el almacenamiento. En un cristal, como un diamante, los qubits podrían transferirse teóricamente de fotones a electrones, que son más fáciles de almacenar. El lugar clave para llevar a cabo talla transferencia sería defectos dentro del diamante, lugares donde elementos distintos del carbono quedan atrapados en la red de carbono del diamante. Los joyeros han sabido durante siglos que las impurezas en los diamantes producen diferentes colores. Para el equipo de De Leon, estos centros de color, como se llaman las impurezas,representan una oportunidad para manipular la luz y crear un repetidor cuántico.
Investigadores anteriores primero intentaron usar defectos llamados vacantes de nitrógeno, donde un átomo de nitrógeno toma el lugar de uno de los átomos de carbono, pero descubrieron que aunque estos defectos almacenan información, no tienen las propiedades ópticas correctas. Otros luego decidieronpara ver las vacantes de silicio: la sustitución de un átomo de carbono con un átomo de silicio. Pero las vacantes de silicio, aunque podían transferir la información a los fotones, carecían de largos tiempos de coherencia.
"Preguntamos, '¿Qué sabemos sobre las causas de las limitaciones de estos dos centros de color?'", Dijo De Leon. "¿Podemos diseñar algo más desde cero, algo que aborde todos estos problemas?"
El equipo dirigido por Princeton y sus colaboradores decidieron experimentar con la carga eléctrica del defecto. Las vacantes de silicio en teoría deberían ser eléctricamente neutras, pero resulta que otras impurezas cercanas pueden contribuir con cargas eléctricas al defecto. El equipo pensó que podríaser una conexión entre el estado de carga y la capacidad de mantener los giros de electrones en la orientación adecuada para almacenar qubits.
Los investigadores se asociaron con Element Six, una empresa industrial de fabricación de diamantes, para construir vacantes de silicio eléctricamente neutras. Element Six comenzó colocando capas de átomos de carbono para formar el cristal. Durante el proceso, agregaron átomos de boro, que tienen el efectode desplazar otras impurezas que podrían estropear la carga neutral.
"Tenemos que hacer esta delicada danza de compensación de carga entre cosas que pueden agregar cargos o quitar cargos", dijo De Leon. "Controlamos la distribución de la carga de los defectos de fondo en los diamantes, y eso nos permite controlarel estado de carga de los defectos que nos importan "
Luego, los investigadores implantaron iones de silicio en el diamante, y luego calentaron los diamantes a altas temperaturas para eliminar otras impurezas que también podrían donar cargas. A través de varias iteraciones de ingeniería de materiales, además de análisis realizados en colaboración con científicos del Instituto Gemológico deAmérica, el equipo produjo vacantes de silicio neutrales en diamantes.
La vacante de silicio neutral es buena tanto para transmitir información cuántica usando fotones como para almacenar información cuántica usando electrones, que son ingredientes clave para crear la propiedad cuántica esencial conocida como entrelazamiento, que describe cómo los pares de partículas permanecen correlacionados incluso si se separan.El enredo es la clave para la seguridad de la información cuántica: los destinatarios pueden comparar las mediciones de su par enredado para ver si un espía ha dañado uno de los mensajes.
El siguiente paso en la investigación es construir una interfaz entre la vacante de silicio neutro y los circuitos fotónicos para que los fotones de la red entren y salgan del centro de color.
Ania Bleszynski Jayich, profesora de física en la Universidad de California, Santa Bárbara, dijo que los investigadores habían superado con éxito el desafío de encontrar un defecto de diamante con características favorables para trabajar con propiedades cuánticas de fotones y electrones.
"El éxito del enfoque de ingeniería de materiales de los autores para identificar plataformas cuánticas prometedoras basadas en defectos de estado sólido destaca la versatilidad de los defectos de estado sólido y es probable que inspire una búsqueda más completa y extensa en una sección transversal más grande decandidatos de material y defectos ", dijo Jayich, quien no participó en la investigación.
El equipo de Princeton incluyó a Brendon Rose, un asociado de investigación posdoctoral, y a los estudiantes de posgrado Ding Huang y Zi-Huai Zhang, que son miembros del laboratorio de De Leon. El equipo de De Leon también incluyó a los asociados de investigación postdoctoral Paul Stevenson, Sorawis Sangtawesin y SrikanthSrinivasan, un ex investigador postdoctoral ahora en IBM. Contribuciones adicionales vinieron del investigador Alexei Tyryshkin y el profesor de Ingeniería Eléctrica Stephen Lyon. El equipo colaboró con Lorne Loudin en el Instituto Gemológico de América y Matthew Markham, Andrew Edmonds y Daniel Twitchen en Element Six.
Este trabajo fue apoyado por la National Science Foundation bajo el programa EFRI ACQUIRE subvención No. 1640959 y a través del Centro Princeton para Materiales Complejos, un Centro de Investigación e Ingeniería de Materiales DMR-1420541. Este material también se basa entrabajo apoyado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea con el número de premio FA9550-17-0158. DH reconoce el apoyo de una Beca Nacional de Ciencia de la Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación A * STAR de Singapur.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton, Escuela de Ingeniería . Original escrito por Catherine Zandonella. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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