Un chip de diamante une luz y qubits en el laboratorio

Un chip de dos milímetros de ancho, pegado al dedo frío de un criostato y enfriado a 4 K, hace ahora lo que un qubit de diamante necesita antes de poder comunicarse con el exterior: permite que una señal luminosa y un bit cuántico actúen el uno sobre el otro de forma fiable. El equipo de la Universidad de Washington, dirigido por el primer autor Nicholas S. Yama y que trabaja junto a Kai-Mei C. Fu, de Washington University, y del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, presenta el resultado en la revista Optica Quantum.

Los qubits en cuestión son centros de vacante de silicio, o centros SiV: defectos en la red cristalina del diamante donde un átomo de silicio se sitúa junto a un sitio vacío de la red. Almacenan muy bien la información cuántica, pero deben enviarla en forma de fotones, partículas de luz, para conectarse con otros dispositivos a distancia. Las redes de fibra óptica podrían transportar esos fotones, y la dificultad está en la conversión entre ambos. El fosfuro de galio, conocido como GaP, lleva mucho tiempo considerado como candidato para el lado fotónico, porque puede alojar directamente en el chip componentes ópticos como conmutadores y moduladores. Hasta ahora, sin embargo, la capa de GaP estaba físicamente separada de los centros SiV, y ambos interactuaban con demasiada debilidad como para controlarlos de forma determinista.

La solución fue en parte una cuestión de fabricación y en parte de diseño. Los dispositivos anteriores grababan el diamante para cerrar la brecha, un método que el equipo describe como no estándar y difícil de escalar. En 2023, el grupo de Fu había demostrado que el GaP podía transferirse sobre diamante sin modificar mediante un proceso de sello escalable, pero la interacción óptica era demasiado débil para un uso práctico. Esta vez, los investigadores rediseñaron la estructura e integraron la separación física en la optimización del dispositivo. Tras varias iteraciones, elevaron el rendimiento de la transferencia por sello a casi un 100 %, y produjeron más de 600 cavidades con un rendimiento del 99,5 %.

Las mediciones muestran que el acoplamiento funciona. Los dispositivos alcanzaron una cooperatividad por encima de la unidad, un régimen en el que la luz dispersada por el dispositivo es lo bastante intensa como para revelar el estado de espín del centro SiV. Cada estado de espín dio una firma espectral distinta, de modo que el equipo pudo seguir el cambio del qubit entre estados. Los dispositivos también mantuvieron sus tiempos de relajación de espín por encima de 0,4 milisegundos. Se trata de resultados de laboratorio, obtenidos con chips enfriados y un láser, y todavía no se han reproducido en una red.

Lo que cambia para el campo es el camino hacia chips más grandes. Yama afirma que la plataforma podría acabar conectando varios qubits SiV en un único chip, con la conmutación y la modulación integradas junto a ellos en lugar de proporcionadas por piezas externas independientes, y que el acoplamiento fundamental es la primera pieza de ese plan. Los autores señalan las comunicaciones seguras y la criptografía como posibles usos, y la computación cuántica en un sentido más amplio. El artículo no fija una fecha para ninguno de ellos, y el equipo todavía no ha construido el chip de red multiqubit que describe. Por ahora, el avance es una interfaz operativa entre un qubit de diamante y la luz, reproducible a escala en la fabricación, y es el primer paso en ese camino.