Dr Mark Martirez z Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), podległego Departamentowi Energii USA (DOE), opracował radykalnie szybszą metodę modelowania reakcji takich defektów na impulsy światła laserowego oraz mikrofal. W pracy opublikowanej na łamach prestiżowego czasopisma ACS Central Science naukowiec wytypował nowe, obiecujące centra oparte na atomach boru i tlenu, które mogą posłużyć jako kubity w komputerach i sensorach kwantowych.
Czysty diament składa się wyłącznie z atomów węgla, lecz do zapisu i przetwarzania informacji kwantowej konieczne jest zaburzenie tej idealnej siatki – poprzez brak atomu w węźle, podstawienie go innym pierwiastkiem lub jednoczesne wystąpienie obu tych anomalii.
Skupisko atomów bezpośrednio otaczających taki defekt tworzy fizyczny kubit, którego stan odczytuje się za pomocą wiązek laserowych i mikrofalowych. Dotychczasowe badania koncentrowały się niemal wyłącznie na centrach azot-wakans (NV, nitrogen-vacancy), gdzie atom azotu zastępuje węgiel w sąsiedztwie pustego węzła sieci, emitując charakterystyczne czerwone światło po wzbudzeniu laserem. Obliczenie odpowiedzi optycznej i mikrofalowej innych, alternatywnych defektów pozwala ocenić ich przydatność technologiczną, co dotychczas stanowiło barierę obliczeniową.
Przełomowe podejście Martireza polega na obliczeniowym „wycięciu” z kryształu klastra liczącego zaledwie od 16 do 30 atomów wokół defektu i analizowaniu go w całkowitej izolacji, dokładnie tak, jak traktuje się pojedyncze cząsteczki chemiczne. Zredukowanie złożoności bryły krystalicznej do modelu molekularnego pozwoliło zaprząc do pracy wysoce precyzyjne narzędzia chemii kwantowej rozwijane od dekad dla prostych związków, drastycznie obniżając koszt symulacji.
Przeprowadzone w ten sposób obliczenia ujawniły istnienie defektów tlenowych emitujących w kolorze niebieskim oraz defektów borowych świecących w zakresie ultrafioletu. Różnice te otwierają drogę do integracji odmiennych centrów barwnych w obrębie jednego układu kwantowego, co pozwoliłoby na selektywne adresowanie i odczytywanie pojedynczych kubitów bez zakłócania stanu ich sąsiadów.
Spojrzenie na fizykę ciała stałego przez pryzmat chemii molekularnej umożliwia projektowanie kubitów pod konkretne zastosowania, analogicznie do syntezy celowanych cząsteczek leków w farmacji. Martirez apeluje do chemików o włączenie ich intuicji i warsztatu badawczego w prace nad urządzeniami kwantowymi, które dotychczas były domeną fizyków.
Rozwój praktycznych układów diamentowych przyniesie sensory o niespotykanej czułości oraz procesory zdolne rozwiązywać problemy niedostępne dla dzisiejszych superkomputerów, co wpisuje się w strategiczne cele badawcze PPPL. Postęp ten zamknie zresztą korzystne sprzężenie zwrotne: same komputery kwantowe pozwolą w przyszłości na precyzyjne modelowanie wielkich biocząsteczek i białek, napędzając rewolucję w inżynierii materiałowej, medycynie oraz fundamentalnym zrozumieniu układów molekularnych.
