الماس الاصطناعي: كيف يعيد ابتكار المواد كتابة قواعد الشبكات الكمومية - عالم الفيزياء

وبينما تقوم شبكات الألياف الضوئية اليوم بتوزيع المعلومات الكلاسيكية عبر مقاييس الطول العالمية، فإن الشبكات الكمومية للغد غير البعيد سوف تستغل الخصائص الغريبة للتشابك والتراكب لنقل المعلومات الكمومية بشكل آمن بين المستخدمين النهائيين على نفس النطاق العالمي. ستمكن هذه الإمكانية الاتصالات المشفرة الكمومية لجميع أنواع المؤسسات - من الحكومات والبنوك إلى مقدمي الرعاية الصحية والجيش - وتفتح الطريق، حتمًا، لتنفيذ موارد الحوسبة الكمومية المتوازية على نطاق واسع، مع عقد الحوسبة عن بعد المرتبطة بالحوسبة الكمومية. ميكانيكيا عبر الشبكة.

على الرغم من أنها لا تزال قيد التطوير، إلا أن المكررات الكمومية تمثل تقنية تمكينية أساسية مع ظهور الإنترنت الكمومي، حيث تؤدي وظيفة مماثلة كمضخمات الألياف في الشبكات الضوئية الكلاسيكية عن طريق تصحيح الخسارة والخيانة التي تحدث مع انتشار المعلومات الكمومية عبر مسافات طويلة (على الرغم من عدم وجود تعطيل الحالة الكمومية للضوء أثناء مروره عبر الشبكة).

تعمل المكررات الكمومية عن طريق نقل المعلومات المشفرة على الفوتونات إلى وحدة ذاكرة ثابتة حيث يمكن تخزين المعلومات وتصحيحها. تتشكل الكيوبتات المعيبة، مثل مراكز الألوان في الماس الاصطناعي، كمرشحات موثوقة لهذه المهمة، لأن لديها واجهة فعالة مع الضوء (مصدر لونها)، ولأن هذه العيوب يمكن أن يكون لها ذاكرة "دوران" طويلة الأمد. هناك فئتان من البتات الكمومية ذات العيوب الماسية هما محور اهتمام البحث والتطوير المكثف في هذا الصدد: مركز الدوران الشاغر للنيتروجين (NV) ومركز الدوران الشاغر للسيليكون (SiV)، وكلاهما يتم تشكيلهما عن طريق إزالة ذرتين كربون متجاورتين من شبكة بلورية ماسية اصطناعية واستبدالها بذرة نيتروجين أو ذرة سيليكون واحدة، على التوالي.

هنا بارت ماشيلسي، عالم أبحاث الكم الأول في مركز AWS للشبكات الكمية، يروي عالم الفيزياء كيف يتمكن فريقه من الوصول إلى القدرات الرائدة في علوم المواد والتصنيع لدى الشريك البحثي العنصر السادس لتحقيق "الميزة الكمية" في أنظمة الاتصالات البصرية باستخدام الماس الاصطناعي.

ما هو الهدف الرئيسي لبرنامج الشبكات الكمومية AWS؟

يقع مركز AWS للشبكات الكمومية في بوسطن، ماساتشوستس، ويمتلك جميع الأدوات اللازمة لدعم مبادرة البحث والتطوير المستقلة في مجال الاتصالات الكمومية. على هذا النحو، نقوم بتصنيع واختبار وتوصيف وتحسين أجهزتنا الخاصة لاختبار إثبات المفهوم في تجارب الشبكات الكمومية بعيدة المدى. في دوري، أقود فريق الأجهزة والتعبئة والتغليف بصلاحية دفع توسيع نطاق وتكامل الضوئيات الكمومية (بما في ذلك الضوئيات الماسية الاصطناعية) في العروض البحثية عالية الجودة لتقنيات الشبكات الكمومية ذات درجة النشر.

من المفترض أن التعاون أمر معطى في مثل هذا المجال التنافسي؟

أنها إلزامية. نحن نعتمد على شركاء البحث والتطوير الذين يمكنهم تقديم قدرات تقنية فريدة ومعرفة عميقة بالمجال ومعرفة فنية متخصصة. تعاوننا مع Element Six، على سبيل المثال، يدور حول إعادة تصور وتحويل الماس الاصطناعي كمنصة مادية للأجهزة الضوئية المخصصة لتطبيقات الذاكرة الكمومية والمكررات الكمومية. باختصار، هذا يعني التقدم من ما نحن عليه الآن - وهي ركيزة يصعب العمل بها عندما يتعلق الأمر بتصنيع النانوفوتونات - إلى مادة متوافقة مع تصنيع أشباه الموصلات القابلة للتطوير والتكرار والفعالة من حيث التكلفة.

كيف يعمل التعاون مع Element Six من الناحية التشغيلية؟

يعد العمل مع Element Six بمثابة تعاون حقيقي في مجال البحث والتطوير. بالنسبة للمبتدئين، هناك تكامل وثيق بين خبراء المواد في Element Six وفريق الضوئيات الكمومية هنا في AWS. تعد المحادثة الجماعية أمرًا أساسيًا للترجمة الناجحة لخبرة المواد الأساسية في Element Six إلى أداء محسّن على مستوى الجهاز.

الأمر كله يتعلق بخط الأنابيب في هذا الصدد: مهمتنا في AWS هي أخذ ركائز الماس التي تنتجها Element Six وتطبيق أدواتنا المتخصصة في مجال البصريات والتصنيع والميكروويف والأدوات المبردة لفهم الأداء الكمي لتلك المواد بشكل أفضل عندما يتم تصنيعها إلى فوتونية. الأجهزة - على وجه الخصوص، كيفية تعيين الانبعاثات الضوئية مقابل خصائص المواد الأساسية مثل كثافة التفكك، والإجهاد، ونعومة السطح، وما شابه ذلك.

ما هي التحديات التصنيعية والهندسية الرئيسية عندما يتعلق الأمر بنشر الماس الاصطناعي في أنظمة الشبكات الكمومية؟

في الوقت الحالي، يعتبر الكثير مما نقوم به في مجال الضوئيات الماسية الاصطناعية احتماليًا للغاية - على سبيل المثال، من حيث نقاء العينة، وتكوين العيوب، والموقع الدقيق لتلك العيوب، والخصائص البلورية على نطاق واسع لمادة الركيزة. باختصار، هناك حاجة إلى قدر كبير من الفهم لربط الخصائص المطلوبة للتطبيق بمواصفات المواد بحيث يمكن قياسها بالكامل. بالتعاون مع Element Six، تسعى AWS إلى فهم العوامل التي تجعل الماس الاصطناعي من الدرجة الكمومية؛ وأيضًا ما هي الحدود عندما يتعلق الأمر بخفض تكلفة/تعقيد معالجة المواد بحيث تحصل على ما تحتاجه، وليس ما لا تحتاجه.

هناك شيء واحد مؤكد: إن التزام Element Six بالاستثمار المستمر في تقنيات نمو ترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما (PECVD) سيكون أمرًا بالغ الأهمية لتصميم وتطوير وتصنيع أجهزة الماس لتطبيقات الشبكات الكمومية. لقد أصبحت الأولويات واضحة بالفعل: تحسين السيطرة على أنواع العيوب التي تنشأ والمواد المدمجة أثناء نمو الماس الاصطناعي؛ توسيع الأشكال المختلفة للماس التي يمكن إنتاجها على نطاق واسع؛ وفي الوقت نفسه خفض تكلفة التصنيع.

وبعبارة أخرى: ابتكار المواد لا شيء بدون سيطرة؟

هذا صحيح. وتتمثل المهمة المقبلة في إزالة جميع المتغيرات من عملية تصنيع الماس الاصطناعي حتى نتمكن من تحسين تصميم وتكامل وأداء الأجهزة الضوئية الكمومية والأنظمة الفرعية الموجودة في الشبكة. والأهم من ذلك: عندما نقوم بتصنيع جهاز ضوئي من الماس الاصطناعي اليوم، فإننا نستخدم الميكرونات القليلة العليا من الماس بسمك 0.5 مم، لذلك نحن بحاجة إلى إيجاد طرق لنكون أكثر كفاءة. فكر في قابلية التصنيع، وفكر في خفض التكاليف، وفي نهاية المطاف، ركائز الماس الاصطناعية التي تكون أكثر "قابلية للتصنيع" - أي متوافقة مع تقنيات تصنيع أشباه الموصلات القياسية.

كيف تبدو خارطة طريق تكنولوجيا AWS في الشبكات الكمومية؟

ومع مرور الوقت، ينبغي أن يكون من الممكن نشر أجهزة فوتونية ماسية، من حيث الحجم، تحتوي على ذكريات كمومية تعمل كمكررات كمومية، وهي لبنات بناء أساسية لما نسميه "شبكات توزيع التشابك". على المدى القريب، تتمثل أولوية البحث والتطوير في العمل مع شركات مثل Element Six لتقديم ركائز الماس الاصطناعي من الدرجة الكمومية التي ستجعل الهندسة على مستوى الجهاز وتكامل الأنظمة أكثر موثوقية وقابلة للتطوير وجاهزة للشبكة. أملنا هو أن يؤدي التقدم في تصنيع الماس الاصطناعي، عاجلاً وليس آجلاً، إلى ابتكارات تكنولوجية تجعل أنظمة الاتصالات الكمومية من AWS أداة لا بد منها في ترسانة أمان الشبكة والخصوصية لعملائنا من الشركات.

البحث عن "مغير قواعد اللعبة" الكمي

يتم تصنيع الألماس الاصطناعي من الدرجة الكمومية لمجموعة جديدة تمامًا من التطبيقات الضوئية في الحوسبة الكمومية، وعلم القياس الكمي، والشبكات الكمومية - والتي ليس للعديد منها نظائرها في المواد الموجودة. ويركز المجتمع الأكاديمي، من جانبه، على دفع حدود ما يمكن فعله بهذه المادة، مما يؤدي إلى تحولات نموذجية في الأداء الكمي، في حين أن الصناعة تدور حول أخذ أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا واكتشاف كيفية القيام بذلك. الأفضل لتعبئة ودمج الماس الاصطناعي الهندسي في الأجهزة الكمومية من الجيل التالي.

مع الترجمة من مختبر الأبحاث إلى السوق الآن في المقدمة والمركز، يتم تحديد مقاييس النجاح لأجهزة الألماس الكمومي بشكل متزايد وفقًا لإحداثيات مثل الموثوقية والمتانة وقابلية التصنيع وقابلية التوسع ونسبة التكلفة/الأداء. يُعلم هذا التحول في العقلية والأولوية عمل فريق التطوير الكمي في Element Six، الذي يطبق تقنيته الحاصلة على براءة اختراع وخبرته في تصنيع PECVD لإنتاج، على نطاق واسع، درجات كمومية من الماس أحادي البلورة تحتوي على مستويات متحكم فيها من NV و مراكز تدور SiV للتطبيقات في أنظمة الشبكات الكمومية وخارجها.

"يمكن للماس الاصطناعي أن يقدم حلولاً تغير قواعد اللعبة ويسمح لعملائنا وشركائنا بالقيام بشيء لم يكن من الممكن القيام به من قبل - بدءًا من بناء ليزر بكثافة طاقة غير مسبوقة إلى "قبة صوتية" من الماس الاصطناعي ذات خصائص تردد عالية بشكل استثنائي،" يوضح ذلك دانيال تويتشين، كبير التقنيين في Element Six.

ويضيف: "يعد بارت ماشيلسي وفريقه في AWS مثالًا واضحًا على ذلك". "لقد جاءوا إلينا لأننا، على مر السنين، قمنا بتطوير مجموعة أدوات كبيرة من قدرات الابتكار في مجال الألماس الاصطناعي. وتتماشى معرفتنا المتراكمة مع التحديات التقنية التي يجب حلها لتحقيق منصة لشبكات الألماس الكمومية، بالإضافة إلى أننا أثبتنا القدرة على توسيع نطاق الماس الاصطناعي في بيئة الإنتاج.

وفي الوقت نفسه، يدرك العنصر السادس أن أسواق النمو الجديدة للألماس الاصطناعي سوف تتطلب حلولاً تسهل استخدام المادة - داخل سلسلة التوريد الكمومية الناشئة وفي أماكن أخرى. يقول تويتشن: "في نهاية المطاف، لا تكمن الحاجة والفرصة في صنع الماس الاصطناعي من الدرجة الكمومية فحسب، بل في معالجته ودمجه في الأجهزة الضوئية". "وبالقيام بذلك، فإننا نحد من العوائق التي تحول دون اعتماد الماس الاصطناعي".

في الوقت الحالي، ينصب تركيز Twitchen وزملاؤه في Element Six على توسيع نطاق الشراكات الصناعية للشركة في مجال الشبكات الكمومية، بعد أن أنشأوا بالفعل إمكانات الماس الاصطناعي في التعاون الأكاديمي مع مجموعات الشبكات الكمومية الرائدة في أنت ديلفت في هولندا كذلك معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا و جامعة هارفارد في الولايات المتحدة.

ويخلص تويتشن إلى أن "ما ينقصنا حتى الآن هو أن تقول إحدى الشركات الكبرى في الصناعة إنها تستطيع طرح أنظمة الاتصالات الكمومية من خلال تقديم جيل جديد من خدمات الشبكة الآمنة الكميًا لعملائها. إنها ليست أكبر بكثير من AWS، لذلك من المثير أن نجمع خبرتنا في الماس من الدرجة الكمومية مع خبرة AWS في مجال الضوئيات لجعل هذه الرؤية حقيقة."

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/