Chip híbrido de diamante liga luz a qubits em laboratório

Um chip com dois milímetros de largura, colado ao dedo frio de um criostato e arrefecido a 4 K, faz agora o que um qubit de diamante precisa para comunicar com o exterior: permite que um sinal luminoso e um bit quântico atuem um sobre o outro de forma fiável. A equipa da Universidade de Washington, liderada pelo primeiro autor Nicholas S. Yama e em colaboração com Kai-Mei C. Fu, da Washington University, e do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, descreve o resultado na revista Optica Quantum.

Os qubits em causa são os centros de silício-vacância, ou centros SiV: defeitos na estrutura cristalina do diamante em que um átomo de silício se encontra junto a um sítio vazio da rede. Armazenam bem a informação quântica, mas têm de a enviar sob a forma de fotões, partículas de luz, para se ligarem a outros dispositivos à distância. As redes de fibra ótica poderiam transportar esses fotões, e a dificuldade está na conversão entre os dois. O fosfeto de gálio, conhecido por GaP, é há muito um candidato para o lado fotónico, porque pode alojar diretamente no chip componentes óticos como comutadores e moduladores. Até agora, porém, a camada de GaP estava fisicamente separada dos centros SiV, e os dois interagiam fracamente demais para serem controlados de forma determinística.

A solução foi em parte uma questão de fabrico e em parte de conceção. Os dispositivos anteriores gravavam o diamante para fechar a distância, um método que a equipa descreve como não padronizado e difícil de escalar. Em 2023, o grupo de Fu tinha demonstrado que o GaP podia ser transferido para diamante não modificado através de um processo escalável de carimbagem, mas a interação ótica era fraca demais para uso prático. Desta vez, os investigadores redesenharam a estrutura, incorporando a separação física na otimização do dispositivo. Ao longo de várias iterações, elevaram o rendimento da transferência por carimbo para quase 100 %, e produziram mais de 600 cavidades com um rendimento de 99,5 %.

As medições mostram que o acoplamento funciona. Os dispositivos atingiram a cooperatividade acima da unidade, um regime em que a luz dispersa pelo dispositivo é suficientemente intensa para revelar o estado de spin do centro SiV. Cada estado de spin produziu uma assinatura espectral distinta, pelo que a equipa conseguiu acompanhar a comutação do qubit entre estados. Os dispositivos mantiveram também os tempos de relaxação de spin acima de 0,4 milissegundos. Trata-se de resultados de laboratório, obtidos em chips arrefecidos com um laser, e ainda não foram reproduzidos numa rede.

O que muda para a área é o caminho para chips maiores. Yama afirma que a plataforma poderá, com o tempo, ligar vários qubits SiV num único chip, com a comutação e a modulação integradas ao lado deles em vez de fornecidas por componentes externos separados, e que o acoplamento fundamental é a primeira peça desse plano. Os autores apontam as comunicações seguras e a criptografia como possíveis utilizações, bem como a computação quântica em termos mais gerais. O artigo não fixa data para nenhuma destas aplicações, e a equipa ainda não construiu o chip de rede multiqubit que descreve. Para já, o avanço é uma interface funcional entre um qubit de diamante e a luz, reprodutível em escala no fabrico, e é o primeiro passo nesse caminho.