Avanços nos emissores quânticos marcam o progresso em direção a uma Internet quântica

A perspectiva de uma Internet quântica, que ligue computadores quânticos e seja capaz de transmitir dados altamente seguros, é tentadora, mas a sua concretização representa um desafio formidável. O transporte de informações quânticas requer trabalhar com fótons individuais, em vez de fontes de luz usadas em redes convencionais de fibra óptica. Para produzir e manipular fótons individuais, os cientistas estão recorrendo a emissores quânticos de luz, também conhecidos como centros de cores. Esses defeitos em escala atômica em materiais semicondutores podem emitir fótons únicos de comprimento de onda ou cor fixa e permitir que os fótons interajam com as propriedades de spin do elétron de maneira controlada.

Uma equipe de pesquisadores demonstrou recentemente uma técnica mais eficaz para a criação de emissores quânticos usando feixes de íons pulsados, aprofundando nossa compreensão de como os emissores quânticos são formados. O trabalho foi liderado pelos pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), Thomas Schenkel, Liang Tan e Boubacar Kanté, que também é professor associado de engenharia elétrica e ciências da computação na Universidade da Califórnia, Berkeley. Os resultados apareceram na revista Physics Review Applied e fazem parte de um esforço maior da equipe para identificar os melhores emissores de defeitos quânticos para processar e transportar informações quânticas e produzi-los com precisão.

“Os centros de cores que estamos fabricando são candidatos a se tornarem a espinha dorsal de uma Internet quântica e um recurso chave para o processamento escalonável de informações quânticas”, disse Schenkel, cientista sênior da Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada (ATAP) do Berkeley Lab. “Eles poderiam apoiar a ligação de nós de computação quântica para computação quântica escalonável.”

“Os centros de cores que estamos fabricando são candidatos a se tornarem a espinha dorsal de uma Internet quântica e um recurso fundamental para o processamento escalonável de informações quânticas” - Thomas Schenkel

Neste trabalho, a equipe teve como objetivo a fabricação de um tipo específico de centro de cor em silício compreendendo dois átomos de carbono substitucionais e um átomo de silício ligeiramente desalojado. O método convencional de produção dos defeitos é atingir o silício com um feixe contínuo de íons de alta energia; no entanto, os pesquisadores descobriram que um feixe de íons pulsado é significativamente mais eficiente, produzindo muito mais centros de cores desejados.

“Ficamos surpresos ao descobrir que esses defeitos podem ser gerados mais facilmente com feixes de íons pulsados”, disse Wei Liu, pós-doutorado na ATAP e primeiro autor da publicação. “Neste momento, a indústria e o meio académico utilizam principalmente feixes contínuos, mas demonstrámos uma abordagem mais eficiente.”

Os pesquisadores acreditam que as excitações transitórias criadas pelo feixe pulsado, onde a temperatura e a energética do sistema mudam rapidamente, são fundamentais para a formação mais eficiente do centro de cores, que eles estabeleceram através de um estudo anterior usando feixes de íons pulsados ​​de um acelerador a laser publicado em Materiais de Comunicação.

A equipe caracterizou os centros de cores em temperaturas criogênicas usando detectores de infravermelho próximo altamente sensíveis para sondar seus sinais ópticos. Eles descobriram que a intensidade do feixe de íons usado para criar os centros de cores alterava as propriedades ópticas dos fótons emitidos. Simulações computacionais em grande escala no sistema Perlmutter no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) forneceram mais informações sobre a descoberta, revelando que o comprimento de onda dos fótons emitidos é sensível à tensão na rede cristalina.

“Os cálculos de estrutura eletrônica de primeiros princípios tornaram-se o método ideal para a compreensão das propriedades dos defeitos”, acrescentou Vsevolod Ivanov, pós-doutorado na Molecular Foundry e co-primeiro autor da publicação. “Chegamos ao ponto em que podemos prever como um defeito se comporta, mesmo em ambientes complexos.”

As descobertas também sugerem uma nova aplicação para centros de cores emissores quânticos como sensores de radiação.

“Isso abre novas direções”, disse Tan, cientista da equipe de Fundição Molecular do Berkeley Lab. “Podemos formar esse centro de cores apenas atingindo o silício com um próton. Poderíamos potencialmente usá-lo como um detector de matéria escura ou de neutrinos com direcionalidade, porque vemos esses diferentes campos de deformação dependendo da direção em que a radiação veio.”