A estrutura de treliça do diamante contém um centro de vacância com nitrogênio com carbonos circundantes. Um isótopo de carbono (verde) é primeiro entrelaçado com um elétron (azul) na vaga, que então espera por um fóton (vermelho) para absorver, resultando em transferência de estado baseado em teletransporte quântico do fóton na memória de carbono. Crédito da imagem: Universidade Nacional de Yokohama
Pesquisadores da Universidade Nacional de Yokohama têm teletransportado informações quânticas com segurança dentro dos limites de um diamante. O estudo tem grandes implicações para a tecnologia de informação quântica - o futuro de como as informações confidenciais são compartilhadas e armazenadas.
"O teletransporte quântico permite a transferência de informações quânticas para um espaço inacessível", disse Hideo Kosaka, professor de engenharia da Universidade Nacional de Yokohama e autor do estudo. "Também permite a transferência de informações para uma memória quântica sem revelar ou destruir a informação quântica armazenada".
O espaço inacessível, neste caso, consistia em átomos de carbono no diamante. Feito de átomos de carbono ligados, mas individualmente contidos, um diamante contém os ingredientes perfeitos para o teletransporte quântico.
Um átomo de carbono contém seis prótons e seis nêutrons em seu núcleo, cercados por seis elétrons em movimento. À medida que os átomos se ligam a um diamante, eles formam uma rede notoriamente forte. Os diamantes podem ter defeitos complexos, no entanto, quando existe um átomo de nitrogênio em uma das duas vagas adjacentes onde os átomos de carbono devem estar. Esse defeito é chamado de centro de vacância com nitrogênio.
Cercada por átomos de carbono, a estrutura do núcleo do átomo de nitrogênio cria o que Kosaka chama de nano - ímã.
Para manipular um elétron e um isótopo de carbono na vaga, Kosaka e a equipe amarraram um fio de cerca de um quarto da largura de um fio de cabelo humano à superfície de um diamante. Eles aplicaram um micro-ondas e uma onda de rádio ao fio para construir um campo magnético oscilante ao redor do diamante. Eles moldaram o microondas para criar as condições ideais e controladas para a transferência de informação quântica dentro do diamante.
Kosaka usou então o nano-íman do nitrogênio para ancorar um elétron. Usando o microondas e as ondas de rádio, Kosaka forçou o giro do elétron a se enredar com um giro nuclear de carbono - o momento angular do elétron e o núcleo de um átomo de carbono. O spin do elétron se quebra sob um campo magnético criado pelo nanomagneto, permitindo que ele se torne suscetível a emaranhamento.
Uma vez que as duas partes estão emaranhadas, ou seja, suas características físicas estão tão interligadas que não podem ser descritas individualmente, um fóton que contém informações quânticas é aplicado e o elétron absorve o fóton. A absorção permite que o estado de polarização do fóton seja transferido para o carbono, que é mediado pelo elétron entrelaçado, demonstrando um teletransporte de informações no nível quântico.
"O sucesso do armazenamento de fótons no outro nó estabelece o entrelaçamento entre dois nós adjacentes", disse Kosaka.
Chamados de repetidores quânticos, o processo pode receber partes individuais de informações do nó ao nó, através do campo quântico.
"Nosso objetivo final é realizar repetidores quânticos escaláveis para comunicações quânticas de longa distância e computadores quânticos distribuídos para computação quântica em grande escala e metrologia", disse Kosaka.
A pesquisa foi publicada na Nature
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