Utilizando um novo método de fabricação em duas etapas, os pesquisadores demonstraram pela primeira vez que é possível criar e monitorar, "à medida que são ativados", defeitos quânticos individuais do Grupo IV em diamantes — minúsculas imperfeições na estrutura cristalina do diamante que podem armazenar e transmitir informações usando as regras exóticas da física quântica. Ao inserir cuidadosamente átomos de estanho individuais em cristais de diamante sintético e, em seguida, usar um laser ultrarrápido para ativá-los, a equipe obteve controle preciso sobre onde e como essas características quânticas aparecem. Esse nível de precisão é vital para a criação de redes quânticas práticas e em larga escala, capazes de comunicação ultrassegura e computação quântica distribuída para lidar com problemas atualmente insolúveis.

O coautor do estudo, Professor Jason Smith , do Departamento de Materiais da Universidade de Oxford, afirmou: "Este avanço nos dá um controle sem precedentes sobre centros de cor com vacância de estanho em diamantes, um marco crucial para dispositivos quânticos escaláveis. O que mais me entusiasma é que podemos observar, em tempo real, como os defeitos quânticos se formam."

Especificamente, os defeitos no diamante atuam como interfaces spin-fóton, o que significa que podem conectar bits quânticos de informação (armazenados no spin de um elétron) com partículas de luz. Os defeitos de vacância de estanho pertencem a uma família conhecida como centros de cor do Grupo IV — uma classe de defeitos no diamante criados por átomos como silício, germânio ou estanho.

Os centros do Grupo IV são há muito valorizados por seu alto grau de simetria, o que lhes confere propriedades ópticas e de spin estáveis, tornando-os ideais para aplicações em redes quânticas. Acredita-se que os centros com vacância de estanho apresentam a melhor combinação dessas propriedades — mas, até agora, posicionar e ativar defeitos individuais de forma confiável era um grande desafio.

Os pesquisadores utilizaram uma plataforma de feixe de íons focalizado — essencialmente uma ferramenta que atua como uma lata de spray em escala atômica, direcionando íons de estanho individuais para posições exatas dentro do diamante. Isso permitiu que implantassem os átomos de estanho com precisão nanométrica — muito mais fina do que a espessura de um fio de cabelo humano.

Para converter os átomos de estanho implantados em centros de cor com vacância de estanho, a equipe utilizou pulsos de laser ultrarrápidos em um processo chamado recozimento a laser. Esse processo excita suavemente pequenas regiões do diamante sem danificá-lo. O que tornou essa abordagem única foi a adição de feedback espectral em tempo real — monitorando a luz proveniente dos defeitos durante o processo a laser. Isso permitiu que os cientistas visualizassem em tempo real quando um defeito quântico se tornasse ativo e ajustassem o laser de acordo, oferecendo um nível de controle sem precedentes sobre a criação desses delicados sistemas quânticos.

Este avanço tem várias implicações significativas:

Escalabilidade : A capacidade de ativar centros de cores com um laser permite um posicionamento preciso, essencial para a construção de redes quânticas em larga escala.

Integração : O processo em temperatura ambiente é compatível com as técnicas existentes de fabricação de semicondutores, facilitando a integração de qubits baseados em diamante nas tecnologias atuais.

Desempenho : Os centros de cores ativados por laser exibem excelentes propriedades ópticas, incluindo altos graus de coerência óptica e de spin, essenciais para aplicações de comunicação e computação quântica.

O coautor  Professor Patrick Salter,  do Departamento de Ciências da Engenharia da Universidade de Oxford, explicou: "Além das perspectivas interessantes que o trabalho apresenta para a tecnologia quântica e a ciência da investigação de defeitos, ele também demonstra um novo padrão de feedback para a fabricação a laser, onde as informações espectroscópicas ao vivo recuperadas do foco de usinagem são essenciais para a fabricação bem-sucedida do dispositivo."

O estudo 'Ativação por laser de centros de cores individuais do grupo IV em diamante' foi publicado na Nature Communications