En las redes de comunicaciones estándar, los dispositivos llamados repetidores almacenan y retransmiten brevemente las señales para permitirles viajar a mayores distancias.

La autora principal y profesora de la Universidad de Princeton, Nathalie de León, señaló que los diamantes podrían servir como repetidores cuánticos para redes basadas en cúbits (unidad básica de la computación cuántica).

“La idea de un repetidor cuántico ha existido por mucho tiempo, pero nadie sabía cómo construirlos. Estábamos tratando de encontrar algo que actuara como el componente principal de un repetidor cuántico”, explicó de León.

El desafío clave en la creación de repetidores cuánticos ha sido encontrar un material que pudiera almacenar y trasferir cúbits. Hasta ahora, la mejor forma para transmitir cúbits es codificarlos en partículas de luz, llamadas fotones.

Sin embargo, los cúbits en una fibra óptica pueden viajar solo distancias cortas antes de que sus propiedades cuánticas especiales se pierdan y la información se codifique: es difícil atrapar y almacenar un fotón, que por definición se mueve a la velocidad de la luz.

Para solucionar este problema, de León y su equipo investigaron si los diamantes podrían ser una buena fuente de almacenamiento al transferir los fotones a los electrones, que son más fáciles de guardar. El lugar para llevar a cabo esta transferencia fueron los defectos dentro del diamante, lugares donde otros elementos, además del carbono, quedan atrapados en la red de carbono del diamante.

Para los investigadores de Princeton, estos centros de color, como se llaman las impurezas, representan una oportunidad para manipular la luz y crear un repetidor cuántico. El equipo pensó que podría haber una conexión entre el estado de carga y la capacidad de mantener los giros de electrones en la orientación adecuada para almacenar cúbits.

“Controlamos la distribución de la carga de los defectos de fondo en los diamantes, y eso nos permitió controlar el estado de carga de los defectos que nos importan”, relataron los autores. A continuación, implantaron iones de silicio en el diamante y luego calentaron los diamantes a altas temperaturas para eliminar otras impurezas que también podrían donar cargas.

A través de varias iteraciones de ingeniería de materiales, más análisis realizados en colaboración con científicos del Instituto Gemológico de EE.UU., el equipo produjo vacantes de silicio neutro en diamantes. La vacancia de silicio neutro es buena tanto para transmitir información cuántica usando fotones como para almacenar información cuántica utilizando electrones, que son ingredientes clave para crear la propiedad cuántica esencial conocida como enredo.

El enredo, según los autores, es “la clave de la seguridad de la información cuántica”: los destinatarios pueden comparar las medidas de su par para ver si un espía ha corrompido uno de los mensajes.