Centros nitrógeno-vacancia y su influencia en la computadora cuántica

Abstract

El objetivo fundamental de esta tesis es caracterizar y diseñar teóricamente un sistema de estados de espín mediante centros Nitrógeno-Vacancia (NV) del diamante, como implementación física de un bit cuántico (qubit) para la construcción del procesador cuántico. La necesidad de estudiar sistemas que funcionen como qubit, es motivada en parte, por el postulado de Richard Feynman, el cual postula que para simular sistemas cuánticos sería necesario el uso de una computadora que se rigiera por las mismas leyes, es decir, una computadora cuántica. Además, la tecnología actual tiende a la miniaturización y a escalas nanométricas los efectos cuánticos comienzan a ser más importantes y se vuelve indispensable la informática cuántica como una herramienta para el manejo del procesamiento de la información. Aunado a lo anterior, la computación cuántica supera la eficiencia de la computación clásica debido al aumento de la densidad de estructuras como consecuencia de la disminución de tamaño de las estructuras básicas y el desarrollo de algoritmos cuánticos, basados en la propiedad intrínseca de los estados cuánticos de existir en una superposición de los estados binarios de la base de estados. Inicialmente se identifica cuál de los dos estados de carga que presentan los centros NV es el mejor candidato para utilizarse como qubit. Esta identificación se lleva a cabo mediante el estudio de los resultados experimentales, reportados en la literatura, y una caracterización teórica que se diseña exclusivamente para los centros NV, considerando las configuraciones electrónicas que presentan dichos defectos. Dentro del estudio de las distintas configuraciones que presentan los distintos estados de carga de los centros, neutro, NV0 y negativo, NV−, se consideraron los posibles estados de espín total que se pueden encontrar en cada estado de carga, tomando en cuenta los electrones que conforman al defecto. Las posibles configuraciones de los espines electrónicos son consecuencia del estado de carga neutro y negativo. Basado en lo anterior, se concluye que las propiedades ópticas presentes en la estructura electrónica de espín del centro NV− en diamante, lo convierten en un candidato predilecto para la implementación física del qubit, ya que muestra una señal de fotoluminiscencia estable (read-out) y además puede ser manipulado e inicializado (preparación óptica), por ende puede ser utilizado en el procesamiento de la información cuántica. Posteriormente, se diseñó una metodología para visualizar en tres dimensiones a partir de la generalización de la representación de la esfera de Bloch para estados de qubit de mayor dimensionalidad como es el caso de qutrit (tres estados cuánticos). Se utilizan dos centros NV− que interaccionan entre sí, con lo cual se genera un entrelazamiento cuántico entre ambos centros. Después de aplicar la metodología de visualización, se observar el estado del sistema de manera gráfica, además, conocer si existe o no entrelazamiento cuántico entre los centros y medirlo. Estos resultados son muy importantes para el diseño de las compuertas cuánticas que requieren dos qubit capaz de generar entrelazamiento en los estados. Finalmente, se hace la caracterización teórica del estado interno de los centros NV utilizando el formalismo de segunda cuantización, obteniendo los modelos que describe el estado estacionario y dinámico del centro NV−, así como los operadores de creación y aniquilación que describen las diferentes transiciones entre los diferentes niveles de espín. Además, gracias a los operadores de creación y aniquilación es posible describir el fenómeno de fotocromismo que se presenta en los centros NV en diamante.