Un “difetto” del diamante – materiale da tempo indagato come base per la realizzazione dei futuri computer quantistici ad alte prestazioni- potrebbe renderlo particolarmente adatto all’impiego per lo sviluppo di bit quantistici, l’unità fondamentale dell’informazione in un computer quantistico.
Uno studio internazionale coordinato dall’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ifn) di Milano ha rivelato che un “difetto” del diamante – materiale da tempo indagato come base per la realizzazione dei futuri computer quantistici ad alte prestazioni- potrebbe renderlo particolarmente adatto all’impiego per lo sviluppo di bit quantistici, l’unità fondamentale dell’informazione in un computer quantistico.
La ricerca, pubblicata sulla rivista Nano Letters, descrive il “difetto” detto nitrogen vacancy: un’impurità nel reticolo di carbonio del diamante stesso, visibile su scala atomica: il suo valore aggiunto come bit quantistico risiede nel suo “tempo di coerenza”, ovvero la durata in cui può mantenere particolari proprietà quantistiche. Essendo questo particolarmente esteso, risulta una capacità di computazione quantistica più efficiente e una rilevazione sensibile di minuscole biomolecole.
“Possiamo pensare i bit quantistici come a unità interconnesse, che consentono la realizzazione di reti e sistemi informativi quantistici estremamente potenti, oppure per la realizzazione di sensori ultrasensibili su scala nanometrica di campi magnetici per l’imaging biomedico, o applicazioni che richiedano imaging ad alta risoluzione”, spiega Shane Eaton, ricercatore del Cnr-Ifn che ha coordinato lo studio.
Il gruppo di ricerca Cnr guidato da Eaton aveva già sviluppato, a partire dal 2016, un metodo per la fabbricazione di interconnessioni ottiche per la connessione di bit quantistici presenti all’interno del diamante, un progresso cruciale per l’implementazione di reti quantistiche scalabili e stabili, nonché per lo sviluppo di sensori quantistici di nuova generazione. Successivamente, gli stessi ricercatori avevano rilevato come, sfruttando il medesimo metodo di fabbricazione laser, fosse possibile creare e posizionare tali difetti in modo mirato all’interno del diamante, in perfetto allineamento con le interconnessioni ottiche fabbricate con il laser. Oggi, l’ulteriore passo avanti consiste nell’aver sviluppato un metodo innovativo di fabbricazione tramite laser e fasci di ioni che non hanno compromesso il tempo di coerenza dei qubit all’interno delle interconnessioni ottiche nel diamante, mostrando un notevole potenziale per le tecnologie quantistiche.
“Tale risultato consolida la nostra prima dimostrazione che con i laser si possono fabbricare interconnessioni fotoniche nel diamante, componenti cruciali e necessarie per il calcolo e il sensing quantistico”, aggiunge il ricercatore. “Avendo dimostrato che la fabbricazione laser non degrada le importanti proprietà di coerenza dei bit quantistici, potremo ora concentrare la nostra attenzione sulla creazione di dispositivi quantistici ad alte prestazioni in diamante. “Il prossimo obiettivo è un prototipo di sensore a campo magnetico che ci permetterà di rilevare singole molecole, partendo dagli atomi, e di studiarne sia la dinamica che la struttura, un aspetto critico per le scienze biologiche. A tal fine, stiamo sviluppando un sistema che potrebbe battere ogni record in termini di sensibilità al campo magnetico, fornendo immagini molto più precise di quelle ottenibili con la risonanza magnetica nucleare”.
Lo studio è stato condotto nell’ambito del progetto europeo “LasIonDef”, di cui Eaton è coordinatore, che ha coinvolto numerosi dottorandi provenienti dalle Università di Cardiff, Ulm, Wroclaw, Torino, e Insubria e dal Politecnico di Milano, grazie alla rete di formazione europea Marie Skłodowska-Curie: le loro scoperte avranno un profondo impatto sull’imminente rivoluzione quantistica e sul futuro del calcolo e del rilevamento medico
