Teleportarea cuantică în diamant

O echipă de fizicieni de la Yokohama National University, Japonia, a demonstrat teleportarea cuantică, schimbul de stări cuantice, într-un diamant.

„Teleportarea cuantică este un principiu-cheie în tehnologia informației cuantice. Ea permite transferul informațiilor cuantice într-un spațiu practic inaccesibil.

De asemenea, teleportarea cuantică asigură transferul de informații într-o memorie cuantică fără a dezvălui sau distruge informațiile cuantice stocate”, a declarat profesorul Hideo Kosaka, autorul principal al studiului.

În acest caz, spațiul inaccesibil a constat din atomii de carbon dintr-un diamant.

Nucleul unui atom de carbon este format din șase protoni și șase neutroni, iar învelişul electronic al atomului de carbon conţine șase electroni.

Un diamant are caracteristicile ideale pentru teleportarea cuantică ca urmare a modului cum sunt legaţi atomii de carbon care formează reţeaua atomică a diamantului.

Diamantele au şi defecte complexe, cum ar fi prezenţa unui atom de azot (N) într-un loc vacant unde ar trebui să se afle un atom de carbon. Acest defect este denumit „centrul vacant al azotului” (în engleză Nitrogen-vacancy center sau N-V center).

Înconjurat fiind de atomii de carbon, nucleul atomului de azot creează ceea ce fizicienii numesc un nanomagnet.

Pentru a manipula un electron şi un izotop al carbonului într-un loc vacant din diamant, profesorul Kosaka și colegii săi au atașat o sârmă, având un diametru aproximativ egal cu un sfert din grosimea unui fir de păr uman, pe suprafața unui diamant.

Teleportarea cuantică în diamant. Credit: Tsurumoto

Așa cum se poate observa din imaginea de mai sus, structura atomică a diamantului conține locuri vacante în apropierea cărora se pot afla atomi de azot și electroni.

Izotopul carbonului ¹³C (verde) este adus într-o stare de inseparabilitate cuantică cu un electron (e) care absoarbe un foton (roșu) rezultând o teleportare a stării cuantice a fotonului (polarizarea) către izotopul carbonului.

Cercetătorii au creat un câmp magnetic oscilant în jurul diamantului prin intermediul unor microunde și unde radio transmise prin sârma ataşată diamantului. Astfel, ei au creat condițiile optime pentru a controla transferul de informații cuantice prin diamant.

Ulterior, cercetătorii au utilizat nanomagnetul format de atomul de azot pentru a „reţine” un electron.

Folosind microundele și undele radio, oamenii de ştiinţă au obţinut o stare de inseparabilitate cuantică între spinul electronului şi spinul nuclear al carbonului.

Spinul electronului se modifică sub influenţa câmpului magnetic creat de nanomagnet şi poate intra într-o stare de inseparabilitate cuantică cu spinul nuclear al carbonului. În aceste condiţii, caracteristicile fizice sunt atât de interconectate încât nu mai pot fi descrise individual.

Electronul poate absorbi un foton care conţine informații cuantice și ca urmare a inseparabilităţii cuantice informaţia ajunge în atomul de carbon.

Absorbția fotonului permite ca starea de polarizare a fotonului să fie transferată în atomul de carbon, fiind mediată de electronul aflat într-o stare de inseparabilitate cuantică. Acest lucru demonstrează teleportarea informațiilor la nivel cuantic.

„Transferul informaţiei cuantice se bazează pe inseparabilitatea cuantică între două noduri adiacente. Aceste repetoare cuantice pot transfera informația cuantică de la un nod către alt nod în câmpul cuantic.

Scopul nostru final este de a realiza repetoare cuantice scalabile pentru comunicațiile cuantice pe distanțe lungi și computerele cuantice distribuite destinate calculului cuantic pe scară largă și metrologie”, a declarat profesorul Kosaka.

Studiul cercetătorilor a fost publicat în Communications Physics.

Sursă: Sci-News