Hoewel defecten in een diamant meestal ongewenst zijn, bepaalde defecten zijn de beste vriend van een kwantumfysicus, met het potentieel om stukjes informatie op te slaan die ooit in een kwantumcomputersysteem zouden kunnen worden gebruikt.

Toegepaste natuurkundigen aan de Cornell University hebben een techniek aangetoond voor het construeren van enkele van de belangrijkste optische eigenschappen van die defecten, het verstrekken van een nieuwe tool voor het verkennen van de kwantummechanica.

Een groep onderzoekers onder leiding van Greg Fuchs, hoogleraar toegepaste en technische fysica, zijn de eersten geworden die trillingen geproduceerd door een resonator gebruiken om die optische eigenschappen te helpen stabiliseren, waardoor de elektronen van de diamant in een aangeslagen orbitale toestand worden gedwongen. Het onderzoek wordt gedetailleerd beschreven in het artikel "Orbital State Manipulation of a Diamond Nitrogen-Vacancy Center Using a Mechanical Resonator, " gepubliceerd op 17 april in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Net zoals de transistors van een computer binaire informatie opnemen door ofwel "aan" of "uit" te zijn, "De interne toestanden van deze diamantdefecten op atomaire schaal kunnen ook stukjes informatie vertegenwoordigen, zoals zijn spin - een intrinsieke vorm van impulsmoment - die "omhoog" of "omlaag" is. Maar in tegenstelling tot transistors, die slechts twee staten hebben, spin bezit het kwantumvermogen om tegelijkertijd op en neer te gaan. Gebruikt in combinatie, deze kwantumtoestanden kunnen informatie exponentieel beter opnemen en delen dan transistors, waardoor computers bepaalde berekeningen kunnen uitvoeren met eens onvoorstelbare snelheden.

De uitdaging:het is moeilijk om kwantuminformatie van de ene plaats naar de andere over te brengen. Natuurkundigen hebben geëxperimenteerd met een aantal materialen en technieken om dit te doen, inclusief het gebruik van optische eigenschappen binnen de atomaire defecten van diamanten die bekend staan ​​als stikstof-vacaturecentra.

"Een ding waar diamant-stikstof-leegstandscentra best goed in kunnen zijn, is communicatie. Dus je kunt een elektronenspin hebben, wat een goede kwantumtoestand is, dan kun je zijn toestand omzetten in een foton van licht, " zei Fuchs, die eraan toevoegde dat het foton dat stukje informatie dan naar een ander defect kan brengen. "Een van de uitdagingen om dat te doen, is het te stabiliseren en het te laten werken zoals jij dat wilt. We hebben een nieuwe toolbox geleverd om die optische overgang zo te ontwerpen dat het hopelijk beter wordt."

Het onderzoeksteam moest eerst een apparaat ontwerpen dat trillingsgolven door het diamantdefect kon sturen. Een mechanische resonator met gigahertz-frequentie werd vervaardigd uit een enkelkristal diamant, vervolgens werden geluidsgolven met een trilling van ongeveer 1 gigahertz door het defect gestuurd.

Het doel was om het geluid te gebruiken om de optische overgangen van het defect te veranderen, waarbij de verandering van de ene energietoestand naar de andere resulteert in de emissie van een foton. Deze overgangen hebben de neiging te fluctueren op basis van verschillende omgevingsomstandigheden, waardoor het moeilijk is om coherente fotonen te produceren om informatie te dragen.

Als voorbeeld, willekeurig fluctuerende elektrische velden kunnen optische overgangsgolflengte onstabiel maken, volgens Huiyao Chen, een promovendus die de studie leidde.

"Om het effect van deze onsamenhangende fluctuaties te onderdrukken, "Chen zei, "een ding dat we kunnen doen is de koppeling tussen de orbitaal van het elektron en het ongewenste elimineren, willekeurige elektrische velden. En dat is waar de geluidsgolven die door de resonator worden geproduceerd in het spel komen."

Om te weten of het experiment werkte, het onderzoeksteam gebruikte een microscoop met een afstembare golflengtelaser om het stikstof-vacaturecentrum van de diamant te scannen. Toen de golflengte van de laser in resonantie was met de optische overgang, een uitgezonden foton kon worden gezien, een zekere aanwijzing dat de elektronen een aangeslagen toestand hadden bereikt. De onderzoekers bestudeerden vervolgens hoe de geluidsgolven de orbitale toestanden konden veranderen, en zo de optische overgang veranderen.