Cómo la manipulación de diamantes agrega bits cuánticos

Diamond Physics Art Concept

Concepto de arte de física de diamante

Se han logrado avances en las redes cuánticas mediante el cultivo de películas de diamante, lo que hace que los bits cuánticos funcionen de manera más eficiente y a menor costo, lo que marca un paso importante hacia las redes cuánticas prácticas.

Los avances de los investigadores de Argonne, UChicago, podrían ayudar a allanar el camino para la infraestructura cuántica.

En colaboración con el Centro de Investigación Cuántica Q-NEXT, los científicos««crecer» películas delgadas como diamantes para crear qubits más rentables y controlables.

La red cuántica del futuro puede ser menos escalable gracias a los investigadores

Universidad de Chicago
Fundada en 1890, la Universidad de Chicago (UChicago, U of C o Chicago) es una universidad privada de investigación en Chicago, Illinois. Ubicada en un campus de 217 acres en el vecindario Hyde Park de Chicago, cerca del lago Michigan, la escuela ocupa las diez primeras posiciones en varios rankings nacionales e internacionales. UChicago también es conocida por sus escuelas profesionales: la Escuela de Medicina Pritzker, la Escuela de Negocios Booth, la Facultad de Derecho, la Escuela de Administración de Servicios Sociales, la Escuela Harris de Estudios de Políticas Públicas, la Escuela de Divinidad y la Escuela Graham de Liberalidad Continua. y Estudios Profesionales, y la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular.

» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>Universidad de ChicagoLaboratorio Nacional Argonne y Universidad de Cambridge.

Un equipo de investigadores anunció un gran avance en la ingeniería de redes cuánticas: al «estirar» películas delgadas de diamante, han creado bits cuánticos que pueden funcionar con muy poco equipo y costo. El cambio también facilita el control de la broca.

Los investigadores esperan que los resultados, publicados en la revista el 29 de noviembre Exploración física Xpodría hacer que las futuras redes cuánticas sean más factibles.

«Esta técnica permite aumentar drásticamente la temperatura de funcionamiento de estos sistemas, hasta el punto en que tienen muy poca capacidad de recursos para operar», dijo Alex High, profesor asistente de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular, quien dirigió el estudio de laboratorio.

Peeling de películas finas de diamante.

Al «grabar» películas delgadas de diamante, los investigadores han creado bits cuánticos que pueden funcionar con un equipo y un costo significativamente menores. Crédito: Peter Allen

Innovación en Qubits basados ​​en diamantes

Los bits cuánticos, o qubits, tienen propiedades únicas que son de interés para los científicos que exploran el futuro de las redes informáticas; por ejemplo, pueden hacerse prácticamente inmunes a los intentos de piratería. Sin embargo, existen importantes desafíos que resolver antes de que pueda convertirse en una tecnología cotidiana y generalizada.

Uno de los principales problemas reside en los «nodos» que transmitirán información a la red cuántica. Los qubits que forman estos nodos son muy sensibles al calor y a las vibraciones, por lo que los científicos deben enfriarlos a temperaturas extremadamente bajas para que funcionen.

«La mayoría de los qubits actuales requieren un refrigerador especial del tamaño de una habitación y un equipo de personas altamente capacitadas para operarlo, por lo que si estás construyendo una red cuántica industrial, tendrás que construir una cada cinco o 10 kilómetros. «Estamos hablando de bastante infraestructura y mano de obra», explicó Hai.

El laboratorio de High trabajó con investigadores del Laboratorio Nacional Argonne, un laboratorio nacional del Departamento de Energía de EE. UU. afiliado a UChicago, para experimentar con los materiales de los que están hechos estos qubits para ver si podían mejorar la tecnología.

Uno de los tipos de diamantes más prometedores está hecho de diamantes. Conocidos como centros de color del Grupo IV, estos qubits son conocidos por su capacidad de mantener el entrelazamiento cuántico durante períodos de tiempo relativamente largos, pero para hacerlo deben enfriarse a solo un poquito más.

absolutamente cero
El cero absoluto es la temperatura mínima teórica en la escala de temperatura termodinámica. A esta temperatura, todos los átomos de un objeto están en reposo y el objeto no emite ni absorbe energía. El valor acordado internacionalmente para esta temperatura es −273,15 °C (−459,67 °F; 0,00 K).

» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>cero absoluto.

El equipo quería modificar la estructura del material para ver qué mejoras podían realizar, una tarea difícil dada la dureza de los diamantes. Sin embargo, los científicos descubrieron que podían «alargar» los diamantes a nivel molecular si colocaban una fina película de diamante sobre un vidrio calentado. A medida que el vidrio se enfría, se contrae más lentamente que el diamante, estirando ligeramente la estructura atómica del diamante; a medida que la superficie se enfría o calienta, la superficie se expande o se contrae.

Influencias tecnológicas importantes

Esta tensión, aunque sólo separa los átomos en una cantidad infinitesimal, tiene un efecto espectacular en el comportamiento de los materiales.

En primer lugar, los qubits ahora pueden mantener su coherencia a temperaturas de hasta 4 Kelvin (o -452°F). Sigue siendo genial, pero se puede lograr con menos equipo especial. «Esa es una diferencia de un orden de magnitud en infraestructura y costos operativos», dijo High.

En segundo lugar, el cambio también permite controlar qubits con microondas. Las versiones anteriores tenían que utilizar luz en longitudes de onda ópticas para introducir información y ajustar el sistema, lo que introducía ruido y hacía que la fiabilidad no fuera perfecta. Sin embargo, utilizando el nuevo sistema y las microondas, la fidelidad aumentó al 99%.

Es inusual ver mejoras en ambas áreas al mismo tiempo, explicó Xinghan Guo, Ph.D. estudiante de física en el laboratorio de High y primer autor del artículo.

«Por lo general, si un sistema tiene una larga vida armónica, es porque es bueno para ‘ignorar’ la interferencia externa, lo que significa que es difícil de controlar, porque es resistente a esa interferencia», dijo. «Es muy emocionante que al crear una innovación fundamental con la ciencia de los materiales, hayamos podido superar este dilema».

«Esta técnica permite aumentar drásticamente la temperatura de funcionamiento de estos sistemas, hasta el punto en que hay muy poca capacidad de recursos para ejecutarlos».
x hola

«Al comprender la física en juego para los centros de anillos del grupo IV en diamantes, adaptamos con éxito sus propiedades a las necesidades de las aplicaciones cuánticas», dijo el científico del Laboratorio Nacional Argonne, Benjamin Pingalt, también coautor del estudio. «Con la combinación de largos tiempos de coherencia y el posible control cuántico a través de microondas, el camino hacia el desarrollo de dispositivos basados ​​en diamantes para redes cuánticas está claro para los centros de tercera vacante», añadió Matt Etcher, profesor de física de la Universidad de Cambridge y investigador conjunto. el escritor Sobre estudiar.

Cita: «Control cuántico de base de microondas y protección de la coherencia de Qobits de espín de tres vacantes en heteroestructura de membrana de diamante sintonizada por tensión» Shengan Guo, Alexander M. Strama, Zixi Li, William J. Roth, Binchen Huang, Yu Jin, Ryan A. Parker, Jesús Arjuna Martínez, Noah Schoffer, Catherine P. Michaels, Carol P. Purser, Martin H. Appel, Evgeny M. Alekseev, Tianli Liu, Andrea C. Ferrari, David D. Oschelm, Nizar Deligan, Benjamin Pingalt, Giulia Galli, F. Joseph Heremans, Mete Atatüre y Alexander A. High, 29 de noviembre 2023, Exploración física X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.13.041037

Los investigadores utilizaron la instalación de nanofabricación Pritzker y el centro de ciencia e ingeniería de investigación de materiales en UChicago.

Otros autores del estudio fueron Zixi Li, Benchen Huang, Yu Jin, Tianle Lu, Prof. Giulia Galli y el Prof. David Awschalom de la Universidad de Chicago; Nazar Delegan y Benjamin Pingault del Laboratorio Nacional Argonne; y Alexander Strama (todos primer autor), William Roth, Ryan Parker, Jesus Arjuna Martinez, Noah Schoffer, Catherine Michaels, Carola Purser, Martin Apple, Evgeny Alekseev y Andrea Ferrari de la Universidad de Cambridge.

Financiamiento: Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica Q-NEXT del Departamento de Energía de EE. UU., Beca Avanzada PEDASTAL del ERC, Insignia Cuántica de la UE, Fundación Nacional de Ciencias, EPSRC/NQIT, Fundación General Sir John Monsch y J-Research. Programa Winton y EPSRC DTP, Beca Marie Sklodowska-Curie Horizonte 2020 de la UE.

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