Diamantes con defectos brindan un salto en comunicación cuántica segura

Los diamantes son apreciados por su pureza, pero sus defectos podrían ser la clave de un nuevo tipo de comunicaciones altamente seguras.

Investigadores de la Universidad de Princeton, en Estados Unidos, están usando diamantes para ayudar a crear una red de comunicación que se basa en una propiedad de partículas subatómicas conocida como su estado cuántico.

Los científicos creen que estas redes de información cuántica serían extremadamente seguras y también podrían permitir que nuevas computadoras cuánticas trabajen juntas para completar problemas que actualmente no tienen solución. Pero los investigadores que actualmente diseñan estas redes se enfrentan a varios desafíos, incluida la forma de preservar la información cuántica frágil a largas distancias.

Ahora, los investigadores han llegado a una posible solución usando diamantes sintéticos. En un artículo publicado esta semana en la revista ‘Science’, los investigadores describen cómo pudieron almacenar y transmitir fragmentos de información cuántica, conocidos como qubits, utilizando un diamante en el que habían reemplazado dos átomos de carbono por un átomo de silicio.

En las redes de comunicaciones estándar, los dispositivos llamados repetidores almacenan y retransmiten señales brevemente para permitirles viajar a distancias mayores. Nathalie de Leon, profesora asistente de Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Princeton e investigadora principal, dice que los diamantes podrían servir como repetidores cuánticos para redes basadas en qubits.

La idea de un repetidor cuántico ha existido durante mucho tiempo, “pero nadie sabía cómo construirlos”, afirma de León. “Estábamos tratando de encontrar algo que actuara como el componente principal de un repetidor cuántico”, relata en un comunicado. El desafío clave en la creación de repetidores cuánticos ha sido encontrar un material que pudiera almacenar y transmitir qubits. Hasta ahora, la mejor forma de transmitir qubits es codificarlos en partículas de luz, llamadas fotones.

Las fibras ópticas utilizadas actualmente en gran parte de la red ya transmiten 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 velocidad de la luz.

En cambio, los investigadores han buscado en sólidos como los cristales para proporcionar el almacenamiento. En un cristal, como un diamante, los qubits teóricamente podrían transferirse de los fotones a los electrones, que son más fáciles de almacenar. El lugar clave para llevar a cabo dicha transferencia serían los defectos dentro del diamante, lugares donde otros elementos, además del carbono, quedan atrapados en la red de carbono del diamante.

Los joyeros han sabido durante siglos que las impurezas en 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.

Los investigadores anteriores primero trataron de 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 decidieron ver las vacantes de silicio: la sustitución de un átomo de carbono por un átomo de silicio. Pero las vacantes de silicio, si bien podían transferir la información a los fotones, carecían de largos tiempos de coherencia.

“Nos preguntamos, ‘¿qué sabemos sobre las causas de las limitaciones de estos dos centros de color?’ –cuenta De Leon–. ¿Podemos diseñar algo más desde cero, algo que solucione todos estos problemas?”
El equipo dirigido por Princeton y sus colaboradores decidió 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 podría haber 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 en silicio eléctricamente neutrales. Element Six comenzó colocando capas de átomos de carbono para formar el cristal. Durante el proceso, agregaron átomos de boro, que tienen el efecto de desplazar otras impurezas que podrían echar a perder la carga neutra.

“Tenemos que hacer esta delicada compensación de baile de carga entre cosas que pueden agregar cargas o quitar cargas –dice de León–. Controlamos la distribución de la carga de los defectos de fondo en los diamantes, y eso nos permite controlar el estado de carga de los defectos que nos importan”.

A continuación, los investigadores implantaron ion de silicio en el diamante, y luego calentaron los diamantes a altas temperaturas para eliminar otras impurezas que también podrían aportar cargas. A través de varias iteraciones de ingeniería de materiales, además de análisis realizados en colaboración con científicos del Instituto Gemológico de América, el equipo produjo vacantes de silicio neutro en diamantes.

La vacancia de silicio neutro es buena tanto para transmitir información cuántica usando fotones como para almacenar información cuántica utilizando electrones, que son ingredientes clave en la creación de la propiedad cuántica esencial conocida como entrelazamiento, que describe cómo los pares de partículas permanecen correlacionados incluso si se separan.

El entrelazamiento es la clave de la seguridad de la información cuántica: los destinatarios pueden comparar las medidas de su par enmarañado para ver si un espía ha corrompido uno de los mensajes. El próximo paso en la investigación es construir una interfaz entre la vacancia neutra de silicio y los circuitos fotónicos para traer los fotones de la red dentro y fuera del centro de color.

Fuente: europapress.es

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