Los avances en emisores cuánticos marcan el progreso hacia una Internet cuántica

La perspectiva de una Internet cuántica, que conecte computadoras cuánticas y sea capaz de transmitir datos de manera altamente segura, es tentadora, pero crearla plantea un desafío formidable. El transporte de información cuántica requiere trabajar con fotones individuales en lugar de las fuentes de luz utilizadas en las redes de fibra óptica convencionales. Para producir y manipular fotones individuales, los científicos están recurriendo a emisores de luz cuánticos, también conocidos como centros de color. Estos defectos a escala atómica en materiales semiconductores pueden emitir fotones individuales de longitud de onda o color fijo y permitir que los fotones interactúen con las propiedades de espín de los electrones de manera controlada.

Un equipo de investigadores ha demostrado recientemente una técnica más eficaz para crear emisores cuánticos utilizando haces de iones pulsados, profundizando nuestra comprensión de cómo se forman los emisores cuánticos. El trabajo fue dirigido por los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía, Thomas Schenkel, Liang Tan y Boubacar Kanté, quien también es profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la Universidad de California, Berkeley. Los resultados aparecieron en Physics Review Applied y son parte de un esfuerzo mayor del equipo para identificar los mejores emisores de defectos cuánticos para procesar y transportar información cuántica y producirlos con precisión.

"Los centros de color que estamos creando son candidatos para convertirse en la columna vertebral de una Internet cuántica y un recurso clave para el procesamiento escalable de información cuántica", dijo Schenkel, científico senior de la División de Tecnología de Aceleradores y Física Aplicada (ATAP) del Laboratorio Berkeley. "Podrían apoyar la vinculación de nodos de computación cuántica para una computación cuántica escalable".

“Los centros de color que estamos creando son candidatos para convertirse en la columna vertebral de una Internet cuántica y un recurso clave para el procesamiento escalable de información cuántica”—Thomas Schenkel

En este trabajo, el equipo se centró en la fabricación de un tipo específico de centro de color en silicio que comprendiera dos átomos de carbono sustitutivos y un átomo de silicio ligeramente desalojado. El método convencional para producir los defectos consiste en golpear el silicio con un haz continuo de iones de alta energía; sin embargo, los investigadores descubrieron que un haz de iones pulsados ​​es significativamente más eficiente y produce muchos más centros de color deseados.

"Nos sorprendió descubrir que estos defectos se pueden generar más fácilmente con haces de iones pulsados", dijo Wei Liu, investigador postdoctoral en ATAP y primer autor de la publicación. "En este momento, la industria y el mundo académico utilizan principalmente haces continuos, pero hemos demostrado un enfoque más eficiente".

Los investigadores creen que las excitaciones transitorias creadas por el haz pulsado, donde la temperatura y la energía del sistema cambian rápidamente, son clave para la formación más eficiente del centro de color, que establecieron a través de un estudio anterior utilizando haces de iones pulsados ​​de un acelerador impulsado por láser publicado en Materiales de Comunicación.

El equipo caracterizó los centros de color a temperaturas criogénicas utilizando detectores de infrarrojo cercano altamente sensibles para sondear sus señales ópticas. Descubrieron que la intensidad del haz de iones utilizado para crear los centros de color cambiaba las propiedades ópticas de los fotones que emitían. Las simulaciones por computadora a gran escala en el sistema Perlmutter en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) proporcionaron más información sobre el descubrimiento, revelando que la longitud de onda de los fotones emitidos es sensible a la tensión en la red cristalina.

"Los cálculos de estructuras electrónicas de primeros principios se han convertido en el método de referencia para comprender las propiedades de los defectos", añadió Vsevolod Ivanov, investigador postdoctoral en Molecular Foundry y coprimer autor de la publicación. "Hemos llegado al punto en el que podemos predecir cómo se comporta un defecto, incluso en entornos complejos".

Los hallazgos también sugieren una nueva aplicación de los centros de color con emisores cuánticos como sensores de radiación.

"Abre nuevas direcciones", dijo Tan, científico de la Fundición Molecular del Laboratorio de Berkeley. “Podemos formar este centro de color simplemente golpeando el silicio con un protón. Potencialmente podríamos usarlo como detector de materia oscura o neutrinos con direccionalidad porque vemos estos diferentes campos de tensión dependiendo de la dirección en la que llegó la radiación”.

Con esta comprensión más profunda de la formación y las propiedades de los emisores cuánticos, el equipo continúa ampliando su exploración de los centros de color. El trabajo en curso incluye generar una base de datos de centros de color que se predice que existirán en el silicio, utilizar simulaciones por computadora para identificar aquellos que se adaptan mejor a la computación cuántica y aplicaciones de redes, y refinar las técnicas de fabricación para obtener un control determinista sobre la creación de centros de color individuales.

"Estamos trabajando hacia un nuevo paradigma de qubits por diseño", dijo Kanté. “¿Podemos crear de manera confiable un centro de color determinado que opere en la banda de telecomunicaciones, tenga suficiente brillo, no sea demasiado difícil de construir, tenga memoria, etcétera? Estamos comprometidos en esa búsqueda y hemos demostrado algunos avances interesantes”.

"Las nuevas vías para formar centros de color utilizando haces intensos descubiertas en este trabajo son una aplicación interesante de condiciones de alta densidad de energía y ciencia del plasma para mejorar las tecnologías para la ciencia de la información cuántica", dijo el director de la división ATAP, Cameron Geddes.

La Fundición Molecular y el Centro Nacional de Computación Científica para la Investigación Energética (NERSC) son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicadas en el Laboratorio de Berkeley.

Esta investigación fue financiada por los programas de Ciencias de la Energía de Fusión y Física de Altas Energías de la Oficina de Ciencias del DOE.

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