La creación y manipulación de diminutas imperfecciones en la red cristalina del diamante para almacenar y transmitir información utilizando las reglas de la física cuántica ha sido demostrada por un equipo de científicos de las universidades de Oxford, Cambridge y Manchester. Estos investigadores han logrado un control preciso sobre la aparición de características cuánticas al colocar átomos individuales de estaño en cristales de diamante sintético y activarlos con un láser ultrarrápido. Este avance es crucial para el desarrollo de redes cuánticas a gran escala que permitirían la comunicación ultrasegura y la computación cuántica distribuida para resolver problemas que actualmente resultan irresolubles.
El profesor Jason Smith, del Departamento de Materiales de la Universidad de Oxford y coautor del estudio, destacó la importancia de este avance al afirmar que proporciona un control sin precedentes sobre los centros de color de vacancia de estaño individuales en el diamante, lo cual es fundamental para la creación de dispositivos cuánticos escalables. Asimismo, señaló que la capacidad de observar en tiempo real la formación de defectos cuánticos representa un hito significativo en este campo de investigación.
Los defectos en el diamante, como los centros de color del Grupo IV que incluyen los centros de vacancia de estaño, actúan como interfaces espín-fotón, lo que significa que pueden conectar bits cuánticos de información almacenados en el espín de un electrón con partículas de luz. Estos centros de color del Grupo IV son altamente valorados por su simetría y estabilidad, lo que los hace ideales para aplicaciones en redes cuánticas. En particular, se considera que los centros de vacancia de estaño ofrecen una combinación única de propiedades ópticas y de espín, lo que los convierte en candidatos prometedores para aplicaciones cuánticas.
Hasta el momento, la colocación y activación fiables de defectos individuales en el diamante representaban un desafío significativo en la investigación cuántica. Sin embargo, los investigadores utilizaron una plataforma de haz de iones enfocado para dirigir cada uno de los iones de estaño a posiciones exactas dentro del cristal de diamante, permitiéndoles implantar los átomos con una precisión nanométrica. Esta tecnología proporciona un control sin precedentes sobre la ubicación de los defectos cuánticos, lo cual es esencial para la construcción de redes cuánticas a gran escala.
Para convertir los átomos de estaño implantados en centros de color de vacancia de estaño, el equipo empleó pulsos láser ultrarrápidos en un proceso conocido como recocido láser. Este proceso excita suavemente pequeñas regiones del diamante sin causar daños, y lo que lo hizo único fue la incorporación de retroalimentación espectral en tiempo real. Esta retroalimentación permitió a los investigadores monitorear la luz emitida por los defectos cuánticos durante el proceso láser, lo que les permitió ajustar el láser de manera óptima para activar los centros de color de forma controlada. Este avance tiene una serie de implicaciones importantes para el campo de la computación y la comunicación cuántica.
En primer lugar, la escalabilidad se ve favorecida por la capacidad de activar centros de color con un láser, lo que facilita una colocación precisa de estos defectos para la construcción de redes cuánticas a gran escala. Además, el proceso de activación a temperatura ambiente es compatible con las técnicas actuales de fabricación de semiconductores, lo que permite una integración más sencilla de cúbits basados en diamante en las tecnologías existentes. Finalmente, los centros de color activados por láser presentan propiedades ópticas excepcionales, como altos grados de coherencia óptica y de espín, que son fundamentales para aplicaciones en comunicación y computación cuántica.
En resumen, la creación y control de defectos cuánticos en la red cristalina del diamante mediante la colocación precisa de átomos de estaño y su activación con láser ultrarrápido representa un avance significativo en el campo de la física cuántica. Este logro no solo brinda un control sin precedentes sobre los sistemas cuánticos a nivel nanométrico, sino que también allana el camino para el desarrollo de tecnologías cuánticas revolucionarias que podrían transformar la manera en que almacenamos y transmitimos información en el futuro.
