As redes quânticas usam as propriedades de emaranhamento e superposição para distribuir informações quânticas com segurança entre os usuários finais da rede.
Essas redes consistem em dois tipos de nós – nós de backbone e nós de usuário final – cada um dos quais depende de diferentes tipos de tecnologia. Os nós de usuários finais podem usar recursos de telecomunicações tradicionais, como lasers e detectores, para se comunicarem com os nós de backbone.
Os nós de backbone, por outro lado, exigirão um novo tipo de infraestrutura: um repetidor quântico. Esses repetidores têm uma função semelhante como amplificadores em redes de comunicação clássicas, corrigindo perdas e infidelidades que ocorrem quando a informação quântica se propaga por longas distâncias, mas são capazes de fazer isso sem interromper o estado quântico da luz que passa pela rede.
Isso torna possível corrigir a dispersão inevitável de partículas individuais de luz, conhecidas como fótons, à medida que passam pela melhor fibra de telecomunicações. Como tal, esses repetidores possibilitam a propagação de informações quânticas por distâncias que de outra forma seriam impossíveis devido à perda de fótons.
Os repetidores quânticos atuarão como a espinha dorsal de uma futura Internet quântica que permitirá uma comunicação segura e privada – tornando-os um foco central de pesquisa no AWS Center for Quantum Networking.
O elemento central de um repetidor quântico é um qubit de memória que faz interface com a luz. Este qubit captura as informações codificadas na luz, armazena-as e, junto com outros qubits próximos, executa a correção de erros para eliminar quaisquer erros que possam ter ocorrido durante a comunicação.
Para serem viáveis, esses qubits de memória precisam ter interações confiáveis com a luz no domínio visível ou de telecomunicações (excluindo muitos dos principais candidatos a qubit da computação quântica, como qubits supercondutores) e, de preferência, serem viáveis para produção em massa. Esses requisitos tornam os qubits defeituosos, como centros de cores em diamantes, principais candidatos a memórias de repetição quântica.
Defeitos em sólidos são uma ampla classe de qubits que consistem em um ou mais átomos formando um defeito dentro de um material cristalino uniforme. Dependendo do tipo de átomo e material usado, o qubit é definido a partir dos estados eletrônicos ou magnéticos do(s) átomo(s) defeituoso(s).
Os qubits defeituosos são encontrados em muitos materiais naturalmente e muitas vezes podem ser introduzidos artificialmente por meio da implantação direcionada de um material hospedeiro com o átomo defeituoso de sua escolha. Apesar de tantos materiais serem capazes de hospedar qubits defeituosos, encontrar um par material-defeito que tenha qualquer combinação específica de propriedades é uma tarefa desafiadora.
Apesar de ser mais puro do que outros cristais naturais, contém muitas impurezas diferentes incorporadas do meio ambiente durante o longo e lento processo de crescimento. Essas impurezas são o que dão aos diamantes suas cores variadas – variando do azul profundo ao rosa brilhante. Em certos casos, no entanto, os defeitos no diamante fazem mais do que torná-los únicos e bonitos: eles também podem atuar como qubits excepcionais para aplicativos de rede quântica.
O diamante hospeda muitos defeitos diferentes, mas duas classes de qubits de defeitos de diamante surgiram como principais candidatos para aplicações de comunicação: o Nitrogen-Vacancy Center (NV) e o Silicon-Vacancy Center (SiV). Tanto o NV quanto o SiV são formados removendo dois átomos de carbono adjacentes de uma rede cristalina de diamante e substituindo-os por um único átomo de nitrogênio ou silício, respectivamente.
Lembrando a luz
Os repetidores quânticos operam transferindo informações codificadas em fótons para um qubit de memória estacionário, onde as informações podem ser armazenadas e corrigidas. Qubits defeituosos, como centros de cores, são bons candidatos para essa operação porque naturalmente têm uma interface eficaz com a luz (a fonte de sua cor) e porque um subconjunto tem acesso a uma memória de “spin” de longa duração.
Esse spin pode ser pensado como um minúsculo ímã contido dentro de cada elétron, próton e nêutron dentro do material. Essa memória de spin pode ser acessada colocando o qubit em um campo magnético de modo que os spins se orientem ao longo da direção do campo.
A memória é então definida se o spin está apontando ao longo ou oposto ao campo magnético, o que corresponde a um bit 1 ou 0, respectivamente. Quando a luz reflete em um centro de cores, ela pode inverter esse qubit de spin, tornando possível a transferência de informações entre a luz e a memória de spin no que é conhecido como interface spin-fóton. Centros de cores com essa propriedade – como NV e SiV – são candidatos úteis para repetidores quânticos.
O NV e o SiV se diferenciam dos outros centros de cores por serem hospedados em diamante, que é compatível com uma ampla variedade de Semicondutores processos e é quimicamente inerte e estável em muitos ambientes diferentes.
Isso significa que esses qubits podem ser posicionados dentro de dispositivos em nanoescala projetados para aplicações específicas. As NVs, por exemplo, são frequentemente colocadas na ponta de uma sonda de varredura para microscopia ou no centro de uma lente hemisférica ou pilares usados para coletar a luz com eficiência.
Os SiVs, que são menos sensíveis ao meio ambiente, podem ser colocados dentro de estruturas ainda menores. Eles são comumente usados dentro de guias de onda e cavidades de cristais fotônicos com apenas 100 nanômetros de diâmetro.
O SiV faz parte de uma classe de defeitos bastante estudada, conhecida como defeitos do “Grupo IV”, dada por sua localização na tabela periódica, que se destacam por sua baixa sensibilidade às flutuações de campos magnéticos e elétricos, que ocorrem nas superfícies da maioria dos materiais.
Essa sensibilidade reduzida possibilita que o SiV seja colocado dentro de estruturas menores – o que, por sua vez, melhora a confiabilidade com que eles interagem com a luz. Um defeito SiV também possui outras propriedades que o tornam adequado para operações de redes quânticas.
Ele tem um tempo de coerência de até 10 milissegundos e uma memória secundária de spin nuclear que pode durar mais de um segundo. Os SiVs podem ser controlados e lidos individualmente com alta precisão, com fidelidade de leitura de 99.98%, fidelidade de porta de qubit único melhor que 99% e fidelidade de porta de fóton de rotação melhor que 95%.
Usando os diamantes sintéticos do Element Six, esses recursos foram combinados por uma equipe de cientistas de Harvard e MIT para permitir comunicação quântica aprimorada de memória, uma referência que significa que o SiV permitirá comunicação em distâncias maiores do que seria possível sem repetidores.
A engenharia e a ampliação da tecnologia em torno do SiV devem possibilitar a ampla implantação dessa tecnologia - e essa engenharia começa com o próprio material de diamante.
No diamante natural, o número de átomos defeituosos indesejados reduz a coerência, as propriedades ópticas e de rotação de centros de cores como NV e SiV. Felizmente, o advento do crescimento do diamante sintético tornou possível a redução dessas imperfeições indesejadas.
Os avanços na deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD) nos últimos 20 anos permitiram o crescimento de placas individuais de diamante com pureza e ordem suficientes para aplicações quânticas. O crescimento do PECVD permite a formação de diamantes centenas ou milhares de vezes mais puros que o Regent Diamond, o famoso diamante natural puro em exposição no Louvre.
No melhor diamante PECVD, menos de um em um milhão de átomos são impurezas - em comparação com um em mil para a maioria dos diamantes naturais.
Continuar a investir na tecnologia de diamante PECVD será fundamental para permitir a sua utilização para aplicações quânticas. Melhorar o controle sobre os tipos de defeitos criados e o material incorporado durante o crescimento do diamante, ampliar as diferentes morfologias dos diamantes que podem ser produzidos em massa e reduzir o custo de sua fabricação será fundamental para o avanço desse campo.
As propriedades óticas e quânticas do diamante o tornam promissor para redes quânticas e aplicações de comunicação quântica – mas a falta de acesso generalizado a diferentes graus e morfologias de diamante tem sido um desafio para o campo.
A Element Six e a AWS estão trabalhando juntas para desenvolver novas tecnologias para tornar o diamante um material mais flexível e acessível – ajudando a impulsionar o crescimento e o progresso dessa tecnologia.
Embora o campo ainda apresente muitas questões fundamentais e técnicas, esta colaboração entre a AWS e a Element Six visa desenvolver uma solução de diamante sintético escalável consistente com interação e controle eficiente de fóton-spin, que pode ser usada para avançar no desenvolvimento de tecnologias quânticas, incluindo segurança redes, sensores ou computadores, no futuro.
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