'Quantumtechnologieën' maken gebruik van de unieke verschijnselen van kwantumsuperpositie en verstrengeling om informatie te coderen en te verwerken, met potentieel grote voordelen voor een breed scala aan informatietechnologieën, van communicatie tot detectie en computergebruik.

Een grote uitdaging bij de ontwikkeling van deze technologieën is echter dat de kwantumverschijnselen erg kwetsbaar zijn, en er is slechts een handvol fysieke systemen geïdentificeerd waarin ze lang genoeg overleven en voldoende beheersbaar zijn om bruikbaar te zijn. Atomaire defecten in materialen zoals diamant zijn zo'n systeem, maar een gebrek aan technieken voor het fabriceren en construeren van kristaldefecten op atomaire schaal heeft de vooruitgang tot nu toe beperkt.

Een team van wetenschappers demonstreert, in een paper gepubliceerd in optiek , het succes van de nieuwe methode om bepaalde defecten in diamanten te creëren, de zogenaamde stikstof-vacature (NV) kleurcentra. Deze omvatten een stikstofverontreiniging in het diamantrooster (koolstof) dat zich naast een lege roosterplaats of leegte bevindt. De NV-centra worden gecreëerd door een reeks ultrasnelle laserpulsen in de diamant te focussen, waarvan de eerste een energie heeft die hoog genoeg is om vacatures te genereren in het midden van de laserfocus, met daaropvolgende pulsen met een lagere energie om de vacatures te mobiliseren totdat een van hen bindt aan een stikstofverontreiniging en het vereiste complex vormt.

Het nieuwe onderzoek werd uitgevoerd door een team onder leiding van prof. Jason Smith van de afdeling Materialen, Universiteit van Oxford, en Dr. Patrick Salter en Prof Martin Booth in de afdeling Engineering Science, Universiteit van Oxford, in samenwerking met collega's van de Universiteit van Warwick. Het vond plaats binnen het onderzoeksprogramma van NQIT, de Quantum Computing Technology Hub van het Britse Quantum Technologies-programma, met steun van DeBeers UK die het diamantmonster heeft geleverd.

De nieuwe methode van de wetenschappers houdt in dat een gevoelige fluorescentiemonitor wordt gebruikt om licht te detecteren dat wordt uitgezonden vanuit het brandpuntsgebied, zodat het proces actief gestuurd kan worden in reactie op het waargenomen signaal. Door lokale besturing en feedback te combineren, de nieuwe methode vergemakkelijkt de productie van arrays van afzonderlijke NV-centra met precies één kleurcentrum op elke locatie - een belangrijke mogelijkheid bij het bouwen van schaalbare technologieën. Het maakt ook nauwkeurige positionering van de defecten mogelijk, belangrijk voor de engineering van geïntegreerde apparaten. Het snelle proces in één stap is eenvoudig te automatiseren, waarbij elk NV-centrum slechts enkele seconden in beslag neemt.

Prof Martin Booth zegt:'Kleurcentra in diamant bieden een zeer opwindend platform voor het ontwikkelen van compacte en robuuste kwantumtechnologieën, en dit nieuwe proces is een potentiële game-changer in de engineering van de benodigde materialen. Er is nog werk aan de winkel om het proces te optimaliseren, maar hopelijk zal deze stap helpen om de levering van deze technologieën te versnellen.'

De wetenschappers zijn van mening dat deze methode uiteindelijk kan worden gebruikt om diamantchips van centimeters te fabriceren die 100, 000 of meer NV-centra als route naar de 'heilige graal' van kwantumtechnologieën, een universele fouttolerante kwantumcomputer.

Prof Jason Smith zegt:'De eerste kwantumcomputers beginnen nu te verschijnen, maar deze machines, indrukwekkend als ze zijn, slechts het oppervlak van wat kan worden bereikt en de platforms die worden gebruikt, zijn mogelijk niet voldoende schaalbaar om de volledige kracht die quantum computing te bieden heeft te realiseren. Diamantkleurcentra kunnen een oplossing voor dit probleem bieden door hoge dichtheden van qubits op een solid-state chip te verpakken, die met optische methoden met elkaar verstrengeld kunnen worden om het hart van een kwantumcomputer te vormen. De mogelijkheid om NV-centra met een hoge mate van controle in diamant te schrijven, is een essentiële eerste stap naar deze en andere apparaten.'