Elmaslarda kusurlar çoğu zaman istenmese de, bazı elmas kusurları, kuantum fizikçilerinin çok işine yarar. Çünkü günün birinde bir kuantum bilgisayar sisteminde kullanılabilecek enformasyon bitlerini depolama potansiyeline sahiptirler. Bir süre önce, Cornell Üniversitesi'nden deneysel fizikçiler, böyle kusurların bazı önemli optik özellikleri üzerinde mühendislik yapabilmeyi sağlayan bir teknik ortaya koydu. Ekip, kuantum mekaniği araştırmaları için yeni bir araç geliştirmiş oldu.

Fizikçi Greg Fuchs liderliğindeki araştırmacılar, ilk kez olarak, optik özellikleri durağanlaştırmak için bir rezonatör tarafından üretilen titreşimleri kullanarak, elmasın atomlarını, uyarılmış yörüngesel bir duruma geçmeye zorladı. Çalışmaya ilişkin ayrıntılar, 17 Nisan 2018 tarihinde, Physical Review Letters dergisinde yayımlanan bir makale ile paylaşıldı.

Bilgisayardaki transistörlerin ya "açık" ya da "kapalı" olarak, ikilik sistemde enformasyon kaydetmesine benzer şekilde, bu atomik ölçekteki elmas kusurlarının içsel durumları da (örneğin spininin yukarı veya aşağı olmasıyla) enformasyon bitlerini temsil edebiliyor. Fakat sadece iki durumları olabilen transistörlerden farklı olarak, spin ayrıca aynı anda hem yukarı hem de aşağı durumlarda da olabiliyor. Bu kuantum durumlarının kombinasyonlarının kullanımıyla, enformasyonun kaydı ve paylaşımı, transistörlerden üstel olarak daha iyi oluyor ve bilgisayarların bazı hesaplamaları eskiden hayal edilemeyecek hızlarda gerçekleştirmesini sağlıyor.

Fakat şöyle bir sıkıntı var: Kuantum enformasyonu, bir yerden başka yere aktarmak çok zor. Fizikçiler çok sayıda malzeme ve teknik ile bunu yapmayı deniyor; elmasların "azot boşluk merkezleri" olarak adlandırılan atomik kusurlarının içindeki optik özelliklerin kullanımı da bu denemelerden biri.

"Elmas azot boşluk merkezlerinin işe yarayabileceği şeylerden biri iletişim. İyi bir kuantum durumu olan elektron spinini alıp, onun durumunu bir ışık fotonuna aktarabilirsiniz," diyor Fuchs. Böylece fotonun, enformasyon bitini başka bir kusura taşıyabileceğini ekliyor. "Bunu yapmayı zorlaştıran şeylerden biri, onu durağanlaştırıp, istediğiniz gibi işlemesini sağlamak. İşleri kolaylaştırmak umuduyla, bu optik geçişin mühendisliği için yeni bir araç sunduk."

Ekibin öncelikle elmas kusurundan titreşimsel dalgaları gönderebilecek bir cihaz yapması gerekti. Gigahertz frekanslı bir mekanik rezonatör, tekil kristal elmastan üretildi ve sonra 1 gigahertz civarında titreşen ses dalgaları kusurdan gönderildi. Amaç, ses kullanarak, kusurun optik geçişlerini değiştirmekti. Optik geçişlerde, bir enerji durumundan diğerine geçiş sırasında bir foton yayımlanır. Bu geçişler, çeşitli çevresel koşullara dayalı olarak çalkalanmaya eğilimlidir; bu da enformasyon taşımak için eşdurumlu (eşevreli, İng. coherent) fotonlar üretmeyi zorlaştırır.

Örneğin, rastgele çalkalanan elektrik alanlar, optik geçişin dalgaboyunu kararsızlaştırabilir, diyor ekipten doktora öğrencisi Huiyao Chen. "Bu eşdurumsuz çalkalanmaların etkisini baskılamak için yapabileceğimiz şeylerden biri, elektron yörüngesi ile istenmeyen rastgele elektrik alanlar alanlar arasındaki çiftlenmeyi elimine etmekti. İşte rezonatörün ürettiği ses dalgalarının olaya dahil olduğu nokta burası," diye ekliyor.

Deneyin çalışıp çalışmadığını anlamak için ekip ayarlanabilir dalgaboylu bir lazerle elmasın azot boşluk merkezlerini tarayabilecekleri bir mikroskop kullandı. Lazerin dalgaboyu optik geçiş ile rezonansta olduğunda, yayımlanan bir foton görülebildi; bu da elektronların uyarılmış bir duruma çıktıklarının kesin belirtisiydi. Araştırmacılar daha sonra ses dalgalarının, yörüngesel durumları ve dolayısıyla optik geçişi nasıl değiştirebileceğini inceledi.