Diamantes: Transformando bits em brilho na nova era da comunicação

O diamante sempre foi uma plataforma importante para a computação quântica graças a pequenos defeitos em seu interior que funcionam como qubits muito eficientes.

Os qubits de diamante são defeitos naturais na estrutura cristalina, quando átomos de nitrogênio substituem átomos de carbono, criando as chamadas vacâncias de nitrogênio, ou centros de cor – eles também emitem fótons únicos, o que é essencial para diversas outras tecnologias quânticas e fotônicas.

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Agora, pesquisadores demonstraram que o diamante serve não apenas para a computação, mas também para a transmissão de dados, o que o habilita a se tornar a base de uma futura internet quântica.

Para permitir a transmissão de dados com taxas de comunicação viáveis em longas distâncias em uma rede quântica, todos os fótons devem ser coletados em fibras ópticas e transmitidos sem serem perdidos. Também deve-se assegurar que todos esses fótons tenham a mesma cor, ou seja, a mesma frequência. Cumprir esses requisitos vinha sendo impossível até agora.

Mas Laura Kobin e colegas da Universidade Humboldt de Berlim, na Alemanha, acabam de vencer esse desafio, lançando o diamante como uma plataforma completa para as tecnologias quânticas.

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Proteção antirruído

O feito da equipe consiste em gerar e detectar fótons únicos, todos com frequências estáveis, emitidos pelas vacâncias de nitrogênio no interior do diamante.

Os qubits já vêm sendo construídos em filmes finos ou em nanodiamantes há algum tempo. Contudo, durante a fabricação das nanoestruturas, a superfície do material é danificada no nível atômico, deixando elétrons livres que criam um ruído incontrolável para as partículas de luz geradas. O ruído causa flutuações na frequência do fóton, impedindo operações quânticas bem-sucedidas, como o entrelaçamento.

O truque usado por Laura simples: Aumentar tanto a densidade das vacâncias de nitrogênio na rede do cristal que elas se tornam uma espécie de escudo protetor contra o ruído dos elétrons na superfície externa da nanoestrutura.

Essa proteção antirruído permitiu aumentar em 1.000 vezes a velocidade de comunicação entre sistemas quânticos espacialmente separados, um passo importante para uma futura internet quântica.

Funcionou, mas a equipe ainda não entende bem como as vacâncias de nitrogênio extras, não usadas diretamente na geração dos fótons únicos, fornecem uma proteção contra os elétrons. “Os processos físicos exatos precisarão ser estudados com mais detalhes no futuro,” disse a pesquisadora.

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Artigo: Optically Coherent Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Nanostructures