Amerikanske forskere har klart å forsterke det svake lyset som avslører spinnet til elektroner i diamanter. Dette spinnet kan brukes til å lagre qbits i kvantedatamaskiner ved romtemperatur over lengre tid.

Dette er et viktig framskritt, ifølge en nyhetsmelding fra tidsskriftet Applied Physics Letters, der forskningen er publisert.

Qbits tilsvarer bits i vanlige datamaskiner. Men der vanlige bits bare kan være en eller null, kan qbits ha et utall av forskjellige mellomverdier. Hver qbit kan derfor lagre mye større mengder data. De gjør kvantedatamaskiner mange ganger raskere.

Het teknologi

Kvantedatamaskiner er het teknologi, i alle fall til spesielle oppgaver. Søkegiganten Google i samarbeid med romfartsorganisasjonen NASA investerer tungt i forskning på kvantedatamaskiner.

Med slike maskiner vil datasøkene til Google kunne gjøres mye raskere.  Kvantedatamaskiner kan også finne mønstre, eller på andre måter hente ut informasjon fra enorme mengder data, for eksempel fra romsondene til NASA eller fra de enorme datamengdene som Google og andre firmaer samler inn.

Også den amerikanske etteretningsorganisasjonen NSA er interessert i kvantedatamaskiner. De kan brukes til å knekke krypteringskodene som er i bruk i dag, eller til å lage kryptering som aldri kan knekkes.

Lagrer qbits i elektroner

Den nye teknologien som forskerne har utviklet, tar altså i bruk diamanter. En diamant er egentlig bare rent kull, eller karbon, bundet sammen i et tett og regelmessig gittermønster.

Dette gittermønsteret binder opp alle ledige elektroner, de små strømbærerne som kretser rundt atomene og er ansvarlige for kjemiske bindinger. Det er dette tett sammenbundne gittermønsteret som gjør diamant så hardt.

Men diamanten som forskerne her tar i bruk, har et tynt lag med ørsmå defekter. De er forurenset med atomer av et annet stoff – nitrogen. Der disse nitrogenatomene ligger, brytes det regelmessige gittermønsteret. Dermed blir det  elektroner til overs. Det er disse ledige elektronene som utnyttes til å lagre kvantedata.

Kvantedata kan lagres i elektroner og hentes ut igjen ved å måle spinnet deres. Spinnet kan måles ved å sende laserlys mot diamanten, og så måle bølgelengden eller fargen på lyset som kommer tilbake fra elektronet. Problemet er bare at dette lyset er veldig vanskelig å måle.

Hull som lysforsterkere

Lyset er svakt, og ved romtemperatur er det mange andre bølgelengder eller farger i lyset enn den som forskerne er interessert i. Nå har forskerne funnet en metode for å forsterke den nyttige bølgelengden.

De borer ørsmå hull i diamanten, rundt 60 milliondels millimeter i diameter. Disse hullene kalles en optisk kavitet. De virkersom en slags lysforsterker for den nyttige bølgelengden  eller fargen.

Problemet er at de små hullene må plasseres helt nøyaktig i forhold til nitrogenatomene. Hvis de sitter feil, forsterkes ikke lyset som avslører elektronspinnet.

Sikter inn hullene

Forskerne har nå klart å sikte inn hullene nøyaktig nok. Det har de klart ved å gjøre laget med nitrogenatomer veldig tynt – bare seks nanometer, altså seks milliondels millimeter. Dermed har de kontroll på nitrogenatomene, i alle fall i den ene retningen som planet går i.

Forskerne håper at de i framtida også skal klare å kontrollere hvor nitrogenatomene er, i alle tre dimensjoner i diamanten.

Lenke og referanse:

Nyhetsmelding fra Applied Physics Letters

Jonathan C. Lee mfl: Deterministic coupling of delta-doped nitrogen vacancy centers to a nanobeam photonic crystal cavity, Applied Physics Letters, 105, 261101 (2014), doi: 10.1063