Los defectos atómicos del diamante, prácticos para las redes cuánticas
Los centros de vacante de silicio y estaño son defectos de la red cristalina del diamante. Las propiedades peculiares de estos emisores ópticos brillantes de banda estrecha, formados por un átomo de silicio (o estaño) que sustituye a dos átomos de carbono vecinos del diamante, los convierten en candidatos excelentes como cúbits. «Las impurezas atómicas del diamante pueden procesar información utilizando su espín, una propiedad similar a un pequeño imán ligado al defecto atómico y regido por la mecánica cuántica», explica Benjamin Pingault, coordinador del proyecto COHESiV, financiado por las Acciones Marie Skłodowska-Curie.
Vibraciones mecánicas como mediadoras de la transferencia de información
El espín de los centros de vacante de silicio puede codificar la información de los fotones. Una vez codificada, la información debe procesarse y compartirse con otros giros. Pero ¿cómo podría producirse esta transferencia de información entre otros cúbits? La respuesta está en la sensibilidad excepcional de estos centros a las vibraciones de la red de diamantes. Como explica Pingault: «Nuestro objetivo ha sido, pues, generar vibraciones de forma controlada. De este modo, podemos utilizarlos para controlar el espín de los centros de vacante de silicio y facilitar la interacción con otros espines». Las vibraciones mecánicas pueden interactuar con diversos sistemas físicos y actuar, de esa forma, como mediadores entre sistemas cuánticos muy diferentes que, de otro modo, no podrían interactuar. Pero esta interacción afecta a la delicada naturaleza de la información cuántica. «La información cuántica puede ser frágil, y los espines solo pueden retenerla de forma fiable durante un tiempo limitado —explica Pingault—. Para ampliar este tiempo de almacenamiento, aprovechamos la presencia de espines que pertenecen a los núcleos de ciertos átomos de carbono dentro del diamante. Estos espines nucleares interactúan mínimamente con su entorno, por lo que sirven como excelentes memorias para el almacenamiento de información».
Establecimiento de tiempos de coherencia largos en cúbtis nucleares de espín
En el transcurso de COHESiV, los investigadores consiguieron interconectar el espín de los centros de vacante de silicio con las ondas acústicas superficiales. «Estas vibraciones mecánicas solo se propagan en la superficie del material, como las ondas en el agua. Al enviar ráfagas sincronizadas con precisión, controlamos el estado cuántico de los espines de la vacante de silicio a intervalos específicos —afirma Pingault—. También conseguimos controlar los espines nucleares cercanos, lo que demuestra su excelente capacidad para almacenar información durante decenas de milisegundos, tiempo suficiente para ejecutar muchos algoritmos cuánticos». Pingault explica: «Nuestra investigación demostró que los pares de espín nuclear poseen uno de los tiempos de coherencia más largos entre las plataformas de estado sólido. Comprender los mecanismos que les permiten almacenar información durante períodos tan prolongados puede ayudar a reducir la sensibilidad de los sistemas cuánticos a su entorno, lo que los hace más robustos frente a los errores de los algoritmos cuánticos». Para aumentar aún más este tiempo de almacenamiento, los investigadores investigaron los espines nucleares situados muy cerca unos de otros formando pares dentro de la red de diamante. «Descubrimos que estos pares pueden almacenar información cuántica durante más de un minuto gracias a una combinación de características específicas que aumentan considerablemente su insensibilidad al entorno», añade Pingault. En última instancia, los investigadores estudiaron una impureza recientemente descubierta en el diamante: el centro de vacancia de estaño. Al igual que el centro de vacancia de silicio, posee un espín, pero presenta propiedades ópticas superiores. Al incorporar centros individuales de vacante de estaño en cavidades de cristal fotónico, el equipo potenció la interacción de la vacante de estaño con la luz, lo que mejoró la eficacia de la transferencia de información a través de redes cuánticas.
Palabras clave
COHESiV, diamante, espín nuclear, centro de vacante de silicio, redes cuánticas, defecto atómico, tiempo de coherencia, transferencia de información