Los haces de iones representan un salto cuántico para los qubits en el centro de color


Los haces de iones pueden crear cadenas de bits cuánticos estrechamente acoplados (qubits) basados ​​en centros de color de vacantes de nitrógeno en el diamante para su uso en hardware de computadora cuántica. El patrón de panal en la foto muestra la diferencia entre las áreas expuestas al haz (más oscuras) y las áreas enmascaradas. Los resultados muestran que debería ser posible crear 10.000 qubits acoplados en una distancia de aproximadamente el ancho de un cabello humano, un número y una densidad inigualables de qubits. (Crédito de la foto: Susan Brand / Berkeley Lab).

– De Joe Chew

Para lograr la inmensa promesa de la computadora cuántica, se requieren nuevos desarrollos en todos los niveles, incluido el propio hardware de la computadora. Un equipo internacional de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ha encontrado una manera de utilizar haces de iones para crear largos cadenas de qubits con un “centro de color” para producir en diamante. Tu trabajo es detallado en la revista Applied Physics Letters.

Los autores incluyen a varios miembros del Laboratorio de Berkeley: Arun Persaud, quien dirigió el estudio, y Thomas Schenkel, director del programa Fusion Science & Ion Beam Technology del departamento de Tecnología Aceleradora y Física Aplicada (ATAP), y Casey Christian (ahora en Berkeley Lab) División de Física), Edward Barnard de Molecular Foundry en Berkeley Lab, y la subsidiaria de ATAP Russell E. Lake.

Generar una gran cantidad de bits cuánticos (qubits) de alta calidad que estén lo suficientemente cerca como para acoplarse entre sí es uno de los grandes desafíos de la computadora cuántica. Trabajando con colegas de todo el mundo, el equipo ha explorado el uso de haces de iones para crear centros de color artificiales en el diamante para su uso como qubits.

Los centros de color son defectos microscópicos: desviaciones de la estructura de celosía estricta de un cristal como el diamante. El tipo de defecto que es de particular interés para los qubits es un átomo de nitrógeno junto a una vacante o espacio en una red de diamantes. (El nitrógeno se encuentra a menudo en la red cristalina del diamante, que es principalmente una forma cristalina de carbono y puede aumentar el color de la piedra).

Cuando se excita por la rápida deposición de energía de un ión que pasa, se pueden formar vacantes de nitrógeno en la red de diamante. Los espines nucleares y de electrones de los centros vacantes de nitrógeno y los átomos de carbono adyacentes pueden actuar como qubits de estado sólido, y la red cristalina puede ayudar a proteger su coherencia y entrelazamiento.

El resultado es un sistema físicamente de larga duración que no necesita utilizarse en un entorno criogénico. Estos son atributos atractivos para los sensores cuánticos y también para los qubits en este tipo de computadora cuántica de estado sólido. Sin embargo, hacer suficientes qubits y acercarlos lo suficiente fue un desafío.

Cuando los iones pesados ​​rápidos (de alta energía) como los rayos utilizados por este equipo (iones de oro con una energía cinética de aproximadamente mil millones de electronvoltios) pasan a través de un material como el diamante dopado con nitrógeno, dejan un rastro de centros vacantes de nitrógeno a lo largo de sus huellas. . Se encontró que los centros de color se forman directamente sin necesidad de recocido adicional (tratamiento térmico). Además, se formaron a lo largo de las pistas de iones, en lugar de solo al final del rango de iones, como se esperaba de estudios anteriores con iones de menor energía. En estas “cadenas de percolación” rectas, los qubits se alinean en el centro de color a distancias de varias decenas de micrómetros y sólo a unos pocos nanómetros de sus vecinos más cercanos. Una técnica desarrollada por Molecular Foundry de Berkeley Lab midió los centros de color con resolución de profundidad.

El trabajo sobre síntesis de qubit lejos del equilibrio fue apoyado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía. El siguiente paso en la investigación será cortar físicamente un grupo de estos centros de color, que parecen una serie de perlas en una cuerda, y mostrar que en realidad están tan estrechamente acoplados que pueden usarse como registros cuánticos.

Los resultados publicados en el artículo actual muestran que será posible formar registros cuánticos con hasta aproximadamente 10,000 qubits acoplados, dos órdenes de magnitud más grandes que los logrados anteriormente con la tecnología complementaria de los qubits de trampa de iones, en una distancia de aproximadamente 50 micrómetros ( aproximadamente el ancho de un cabello humano).

“Las interacciones de los iones pesados ​​rápidos con los materiales se han estudiado para una variedad de propósitos durante décadas, incluido el comportamiento de los materiales nucleares y los efectos de los rayos cósmicos en la electrónica”, dijo Schenkel.

Añadió que investigadores de todo el mundo han intentado fabricar materiales cuánticos induciendo artificialmente centros de color en el diamante. “Los enfoques de estado sólido para el hardware de computación cuántica escalan maravillosamente, pero la integración ha sido un desafío. Esta es la primera vez que se observa una formación directa de qubits en el centro de color a lo largo de las cuerdas. “

Las estrellas como diamantes

En una escala diminuta y de corta duración (nanómetros y picosegundos), la deposición de energía por los haces de iones crea un estado de alta temperatura, que Schenkel compara con la superficie del sol, en el rango de 5000 K y presión. Además de expulsar átomos de carbono de la red cristalina del diamante, este efecto podría permitir estudios fundamentales de estados exóticos de materia cálida densa transitoria, un estado de la materia que está presente en muchas estrellas y grandes planetas y que es difícil de estudiar directamente en la Tierra. .

También podría permitir la formación de nuevos qubits con propiedades a medida que no se pueden formar con métodos convencionales. “Esto abre una nueva dirección para expandir nuestra capacidad para construir registros cuánticos”, dijo Schenkel.

En la actualidad, las cadenas de colorantes se forman con haces de grandes aceleradores de partículas, como se utiliza en el laboratorio alemán GSI. En el futuro, podrían producirse con aceleradores de plasma láser compactos como los desarrollados en el Berkeley Lab Laser Accelerator Center (BELLA).

El centro BELLA está desarrollando activamente sus capacidades de aceleración de iones con fondos de la Oficina de Ciencias del DOE. Estas funciones se utilizan en el contexto de LaserNetUS. Los pulsos de iones de la aceleración del plasma láser son muy intensos y amplían considerablemente nuestra capacidad para formar estados de transición de materiales muy excitados y calientes para la síntesis de qubit en condiciones novedosas.


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En el sentido de las agujas del reloj desde la parte inferior izquierda: los postdoctorados del departamento de ATAP, Sahel Hakimi y Lieselotte Obst-Huebl, así como los científicos del personal Kei Nakamura y Qing Ji se pueden ver en la cámara de destino de la línea de luz iP2. IP2, una línea de haz de distancia focal corta de alta intensidad que se encuentra actualmente en construcción con el apoyo de la Oficina de Ciencias de la Energía de Fusión del DOE, se utiliza para la aceleración de iones basada en láser en el Berkeley Lab Laser Accelerator Center (BELLA). La aceleración de iones de plasma láser ofrece la esperanza de realizar muchas funciones con una instalación mucho más pequeña que los aceleradores convencionales. (Crédito de la imagen: Thor Swift / Berkeley Lab.)

Otras facetas de la ciencia de los materiales lejos del equilibrio

El proceso de creación de estos centros de color es interesante en sí mismo y debe entenderse mejor a medida que avanzamos en estas aplicaciones. Los detalles de cómo un haz de iones intenso deposita energía a su paso a través de muestras de diamantes, y el mecanismo preciso por el cual esto conduce a la formación de centros de color, ofrecen perspectivas interesantes para futuras investigaciones.

“Este trabajo muestra tanto las posibilidades de la ciencia de descubrimiento como el potencial de las innovaciones socialmente transformadoras que son posibles gracias a los rayos del acelerador”, dijo Cameron Geddes, director de la división ATAP. “Con los aceleradores creamos estados únicos de la materia y nuevas capacidades que no son posibles con otros medios”.

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