Fios de diamante unem qubits para criar computador quântico

Cientistas criaram nanofios de diamante que apresentaram propriedades inéditas, nunca vistas num único material, e longamente sonhadas pelos pesquisadores.


As propriedades dos nanofios de diamante, que ainda não foram totalmente exploradas, mostram que eles são adequados para a fabricação de nanomateriais ideais para a computação quântica, a criptografia quântica e para o imageamento científico, entre várias outras possibilidades.

Computador de diamante


No início de 2009, pesquisadores australianos haviam construído o equivalente a fios de diamante mas que eram, na verdade, ranhuras feitas ao longo do diamante, embora permitam a transmissão direcionada de fótons.
Agora, a equipe do professor Marko Loncar conseguiu construir fios de diamante de fato, em nanoescala.

Praticamente todos os elementos essenciais para a construção dos computadores quânticos já foram demonstrados utilizando o diamante como material básico.

Até agora, porém, ninguém havia conseguido construir os fios para interconectar esses componentes, permitindo que eles troquem dados de maneira simples e direta, fazendo o papel que os fios de ouro e cobre fazem no interior dos processadores de um computador tradicional.



Fonte de luz

Mas o resultado foi melhor do que o esperado. Longe de ser apenas um material passivo, o nanofio de diamante mostrou-se capaz de funcionar como uma fonte brilhante e estável de fótons individuais. Melhor ainda, ele faz isto a temperatura ambiente.


Isto torna os nanofios de diamante adequados não apenas para a fabricação de dispositivos voltados para a computação e a comunicação quânticas, como também para a viabilização dos chips ópticos - que troquem dados utilizando luz em vez de eletricidade - e para aplicação em áreas que vão desde o sensoriamento biológico e químico até a obtenção de imagens científicas de amostras vivas em resoluções nunca antes alcançadas.


Diamantes coloridos

Ao contrário do que se possa imaginar, os cientistas não tiraram proveito da conhecida pureza dos diamantes - eles exploraram justamente seus defeitos, responsáveis por criar as tonalidades dos diamantes coloridos.


Quando um diamante apresenta tonalidades coloridas, isso acontece porque o cristal puro de carbono possui em seu interior átomos de outros materiais, espécies de impurezas que se incorporaram na matriz de carbono enquanto o diamante estava se formando.


Por exemplo, átomos de boro incorporados como impurezas na matriz de carbono resultam em diamantes azuis, enquanto átomos de nitrogênio geram diamantes amarelos.

Quando são aprisionados no interior dessa armadilha sólida, os átomos das impurezas forçam a rede atômica do diamante a se curvar para acomodar as imperfeições. Do ponto de vista de um joalheiro, isso cria as maravilhosas cores dos diamantes. Do ponto de vista de um físico, eles alteram o estado eletrônico dos átomos.
Centro de cor
Quando se constrói um nanofio de diamante que contenha em seu interior ou que se conecte a uma dessas impurezas, o resultado é um fio capaz de gerar um intenso fluxo de fótons em fila indiana, um logo após o outro, em perfeita ordem.
"O nanofio de diamante funciona como uma antena em nanoescala que concentra os fótons oriundos do centro de cor em uma lente microscópica," explica Loncar, da Universidade de Harvard, que fez a descoberta com o auxílio de seus colegas das universidades do Texas e de Munique, na Alemanha.


O centro de cor ao qual o pesquisador se refere é o defeito na estrutura atômica do diamante, gerada pela presença da impureza.

Qubit de diamante


Os cientistas começaram a explorar as propriedades dos diamantes naturais depois de aprenderem a manipular o spin do elétron - ou o seu momento angular intrínseco - associado com um centro de cor no qual átomos de nitrogênio ficaram adjacentes a lacunas na estrutura atômica do diamante - veja Diamante tem qubits para computador quântico a temperatura ambiente.

O estado quântico dessa lacuna de nitrogênio (nitrogen vacancy), que funciona como um qubit - um bit quântico -, pode ter seu estado inicializado e medido utilizando luz.
O centro de cor "se comunica" através da emissão e da absorção de fótons. O fluxo de fótons emitidos a partir do centro de cores proporciona um meio de levar a informação resultante da inicialização do qubit, criando um dispositivo que permite o controle, a captura e o armazenamento de fótons, essencial para qualquer tipo de comunicação ou computação ópticas.


Nanofios de diamante


Mas resta um problema: os centros de cor estão nas profundezas dos cristais de diamante, tornando muito difícil lidar com os fótons manipulados em seu interior.
É aí que entram os nanofios de diamante. Seja construindo-os sobre a superfície do cristal onde está o centro de cor, seja incorporando os centros de cor em diversas estruturas, torna-se possível acessar todos os recursos desse qubit natural de um diamante impuro.


Os nanofios de diamante fazem a interface com os centros de cor, uma espécie de sonda capaz de levá-lo aos limites de seu brilho. Esse reforço das propriedades ópticas aumenta a captura de fótons em um fator de 10 em comparação com um dispositivo natural de diamante.


A seguir, é só guiar os fótons para aproveitá-los de forma útil. Os resultados superam todos os sistemas pesquisados até agora para utilização na computação quântica, incluindo as moléculas fluorescentes, os pontos quânticos e os nanotubos de carbono.

Computadores de cristal


Os pesquisadores usaram uma técnica "de cima para baixo" de nanofabricação para incorporar centros de cores em vários tipos de estruturas, demonstrando a viabilidade da aplicação dos nanofios de diamante para interconectar qubits, criando redes quânticas complexas.

O sistema descrito no artigo científico é um conjunto com milhares de nanofios de diamante, cada um com alguns micrômetros de altura e 200 nanômetros de diâmetro, assentados sobre o cristal macroscópico de diamante a partir do qual eles foram criados.

Como os centros de cor não são distribuídos uniformemente no cristal de diamante original, cada nanofio tem sua imperfeição em um ponto diferente, com acoplamentos variáveis que resultam em variações na intensidade dos sinais captados por cada nanofio, que funciona como uma espécie de antena para captar o sinal do qubit.
No futuro, uma técnica já desenvolvida, capaz de implantar íons seletivamente, poderá ser utilizada para gerar centros de cor em posições predeterminadas, otimizando os dispositivos.

"A partir dessas amostras sintéticas de diamante nanoestruturado, nós podemos começar a sonhar com dispositivos à base de diamante e sistemas que poderão um dia levar a aplicações em ciência e tecnologia quânticas, assim como em novas tecnologias de sensores e de imageamento," prevê o professor Loncar.