Ripetitori quantistici di qubit dai diamanti “sporchi”

SCOPERTE – Preservare le informazioni quantistiche e trasportarle per lunghe distanze. Questa è una delle sfide che i ricercatori si trovano ad affrontare per entrare nella nuova era delle comunicazioni quantistiche. Per poter trasferire le informazioni codificate nei qubit, le unità fondamentali dell’informatica quantistica, è necessario costruire dei ripetitori che siano in grado di immagazzinare le informazioni “tradotte” in fotoni ed elettroni.

I ricercatori della Princeton University guidati da Nathalie de Leon, assistente professore, hanno scoperto nei diamanti sintetici la chiave per un nuovo tipo di comunicazioni altamente sicure, creando delle reti basate sulle proprietà delle particelle subatomiche.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science in cui hanno creato diamanti sintetici con “difetti”, cioè dove due atomi di carbonio vengono sostituiti da uno di silicio. Proprio questa impurezza nei diamanti ha permesso non solo lo stoccaggio dei qubit, ma anche il loro trasferimento. I diamanti così ottenuti dalla collaborazione con la Element Six, azienda che produce gemme, si sono rivelati dei promettenti candidati per la costruzione di ripetitori quantistici per reti di comunicazione quantistiche.

Costruire un ripetitore quantistico è una sfida che gli scienziati affrontano ormai da molto tempo. Per realizzarlo infatti sono necessari materiali che abbiano la capacità sia di immagazzinare che di trasmettere i qubit, codificandoli in particelle di luce, cioè i fotoni. Ad oggi la maggior parte delle reti a fibra ottica di cui disponiamo già trasmettono le informazioni attraverso fotoni, ma per i qubit esiste una limitazione: sono in grado di viaggiare solo su corte distanze, poi le loro speciali proprietà quantistiche si disperdono e le informazioni diventano confuse. Un problema che risiede nella difficoltà di intrappolare e immagazzinare una particella come il fotone, che si muove alla velocità della luce.

Per trovare una soluzione che fosse convincente, i ricercatori di Princeton guidati dalla de Leon hanno concentrato la loro attenzione sullo stoccaggio di queste informazioni in solidi con struttura cristallina, come appunto i diamanti. Proprio in questo tipo di strutture, i qubit possono essere teoricamente trasferiti dai fotoni agli elettroni, particelle che sono dunque più facili da immagazzinare. Un trasferimento che si è rivelato possibile sfruttando le impurità del diamante, regioni cioè dove atomi di carbonio del reticolo cristallino vengono sostituiti da altri elementi. La presenza di impurità implica infatti una variazione del colore del diamante, tanto che queste regioni sono definite centri di colore e rappresentano una opportunità per manipolare la luce e creare il ripetitore quantistico tanto agognato.

In studi precedenti, altri ricercatori avevo creato dei difetti di vacanza con atomi di azoto che prendevano il posto degli atomi di carbonio. Queste vacanze di azoto permettevano lo stoccaggio delle informazioni, ma non hanno mostrato le corrette proprietà ottiche per la loro trasmissione. Un passo avanti si è registrato sostituendo gli atomi di carbonio con uno di silicio, tali vacanze nel reticolo hanno permesso infatti di trasferire le informazioni ai fotoni, ma con tempi molto lunghi. Limitazioni che hanno portato gli scienziati a chiedersi, come ha sottolineato la de Leon:

“Che cosa sappiamo sulle cause delle limitazioni di questi due centri di colore? Possiamo progettare qualcosa di diverso da zero, qualcosa che risolva tutti questi problemi?”.

I difetti dei diamanti

I ricercatori hanno così deciso di valutare i difetti dei diamanti in funzione della loro carica elettrica. Le vacanze di silicio sono in teoria elettricamente neutre, ma alcune impurità nel reticolo possono contribuire alla comparsa di una carica elettrica per i difetti. La presenza eventuale di carica ha portato gli scienziati a ipotizzare una connessione tra lo stato di carica e la capacità del materiale di mantenere lo spin elettronico nella giusta orientazione, una condizione necessaria allo stoccaggio corretto dei qubit. Per risolvere questo dubbio, la Element Six ha lavorato alla produzione di diamanti con vacanze di silicio che fossero elettricamente neutre.

Il team costituito dai ricercatori della Princeton University e dagli ingegneri della Element Six ha lavorato accumulando degli strati di atomi di carbonio per formare il cristallo, ma durante il processo ha aggiunto degli atomi di boro che hanno il compito di ammassare le impurità fuori dal reticolo, proprio quelle impurità che alterano la carica neutra del diamante, come spiegato dalla de Leon:

“Una delicata danza è stata necessaria per compensare le impurità che avrebbero potuto aggiungere o sottrarre cariche. Abbiamo così tenuto sotto controllo la distribuzione di carica negli effetti di fondo nei diamanti, ottenendo a sua volta il controllo dello stato di carica dei difetti che ci interessavano”.

Nel diamante sono stati poi impiantati degli ioni di silicio e la gemma è stata riscaldata ad alte temperature per rimuovere altre impurità residue, che avrebbero potuto generare una carica elettrica. I ricercatori hanno così ottenuto un diamante con vacanze di silicio neutre che fosse in grado sia di trasmettere le informazioni quantistiche utilizzando i fotoni, sia di immagazzinarle attraverso gli elettroni. Proprio la coppia fotone-elettrone d’altronde rappresenta l’ingrediente chiave per l’entanglement, la proprietà quantistica che descrive la correlazione di una coppia di particelle anche in caso di loro separazione. Una proprietà che si è rivelata la chiave per la trasmissione in sicurezza delle informazioni quantistiche, dove un futuro destinatario potrà comparare le misurazioni della coppia di particella entangled e vedere facilmente se un ipotetico intercettatore ha corrotto uno dei messaggi che gli sono stati inviati.

Il risultato raggiunto da de Leon e colleghi ha permesso dunque di trovare un candidato promettente per i ripetitori quantistici, dato che il diamante “sporcato” dal silicio ha caratteristiche che gli permettono di lavorare sia con gli elettroni che con i fotoni. Un risultato che apre alla ricerca di nuovi materiali che permetteranno agli scienziati di progettare e costruire reti di comunicazioni quantistiche sicure, ma che rappresenta solo un primo passo.

Il prossimo obiettivo è quello di realizzare una interfaccia tra la vacanza di silicio neutrale e il circuito fotonico che permetta ai fotoni sia di entrare che da uscire dalla rete dei centri di colore. I difetti dei diamanti, poco apprezzati dai gioiellieri, si rivelano così preziosi per la costruzione delle tecnologie informatiche quantistiche del futuro.

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