Syntetisk diamant: hvordan materialeinnovation omskriver reglerne for kvantenetværk - Physics World

Mens nutidens fiberoptiske netværk distribuerer klassisk information på tværs af globale længdeskalaer, vil kvantenetværkene i den ikke-så-fjerne morgendag udnytte de eksotiske egenskaber ved sammenfiltring og superposition til sikkert at transmittere kvanteinformation mellem slutbrugere i samme globale skala. Denne kapacitet vil muliggøre kvantekrypteret kommunikation for alle slags organisationer – fra regeringer og banker til sundhedsudbydere og militæret – og åbne vejen, uundgåeligt, for implementering af parallelle kvantecomputerressourcer i stor skala med fjerncomputerknudepunkter forbundet med kvantedata. mekanisk på tværs af netværket.

Selvom kvanterepeatere stadig er under udvikling, repræsenterer kvanterepeatere en kerneaktiverende teknologi, når kvanteinternettet kommer til syne, og de tjener en lignende funktion som fiberforstærkere i klassiske optiske netværk ved at korrigere for tab og utroskab, der opstår, når kvanteinformation forplanter sig over lange afstande (dog uden forstyrrer lysets kvantetilstand, når det passerer gennem netværket).

Kvanterepeatere fungerer ved at overføre information kodet på fotoner til en stationær hukommelsesqubit, hvor informationen kan lagres og korrigeres. Defekte qubits, såsom farvecentre i syntetisk diamant, tegner sig som troværdige kandidater til denne opgave, fordi de har en effektiv grænseflade med lys (kilden til deres farve), og fordi disse defekter kan have en langvarig "spin"-hukommelse. To klasser af diamantdefekte qubits er i fokus for intens F&U-interesse i denne henseende: nitrogen-tomgangsspincentret (NV) og silicium-tomgangsspincentret (SiV), som begge er dannet ved at fjerne to tilstødende carbonatomer fra et syntetisk diamantkrystalgitter og erstatte dem med henholdsvis et enkelt nitrogen- eller siliciumatom.

Her Bart Machielse, senior kvanteforsker ved AWS Center for Quantum Networkingfortæller Fysik verden hvordan hans team får adgang til forskningspartnerens førende materialevidenskab og fremstillingskapacitet Element seks at realisere "kvantefordele" i optiske kommunikationssystemer ved hjælp af syntetisk diamant.

Hvad er det overordnede mål for AWS-kvantenetværksprogrammet?

AWS Center for Quantum Networking er placeret i Boston, Massachusetts, og har alle de nødvendige værktøjer til at understøtte et uafhængigt R&D-initiativ inden for kvantekommunikation. Som sådan fremstiller, tester, karakteriserer og optimerer vi vores egne enheder til proof-of-concept test i langdistance kvantenetværkseksperimenter. I min rolle leder jeg enheds- og pakketeamet med det ansvar at drive opskalering og integration af kvantefotonik (inklusive syntetisk diamantfotonik) i højkvalitets forskningsdemonstratorer af kvantenetværksteknologier i implementeringsgrad.

Formentlig er samarbejde givet på et så konkurrencepræget område?

Det er obligatorisk. Vi er afhængige af R&D-partnere, som kan bringe unikke tekniske kapaciteter, dyb domæneviden og specialistviden til bordet. Vores samarbejde med Element Six handler for eksempel om at genskabe og transformere syntetisk diamant som en materialeplatform for fotoniske enheder beregnet til applikationer i kvantehukommelser og kvanterepeatere. Kort sagt betyder det, at vi går videre fra, hvor vi er nu – et substrat, der er smart at arbejde med, når det kommer til nanofotonisk fremstilling – til et materiale, der er kompatibelt med skalerbar, reproducerbar og omkostningseffektiv fremstilling i halvleder-stil.

Hvordan fungerer samarbejdet med Element Six operationelt?

At arbejde med Element Six er et ægte F&U-samarbejde. Til at begynde med er der tæt integration mellem materialeeksperterne hos Element Six og kvantefotonik-teamet her hos AWS. Den kollektive samtale er nøglen til en vellykket oversættelse af basismaterialets knowhow hos Element Six til forbedret ydeevne på enhedsniveau.

Det handler om pipelinen i denne henseende: Vores job hos AWS er ​​at tage de diamantsubstrater, som Element Six producerer, og anvende vores specialiserede optiske, fremstillings-, mikrobølge- og kryogene værktøjer for bedre at forstå kvanteydelsen af ​​dette materiale, når det bliver fremstillet til fotonisk enheder – især hvordan den optiske emission kortlægger versus grundlæggende materialeegenskaber såsom dislokationstæthed, tøjning, overfladeglathed og lignende.

Hvad er de største produktions- og tekniske udfordringer, når det kommer til at implementere syntetisk diamant i kvantenetværkssystemer?

Lige nu er meget af det, vi laver inden for syntetisk diamantfotonik, meget sandsynligt – for eksempel med hensyn til prøverenhed, dannelsen af ​​defekter, den nøjagtige placering af disse defekter og substratmaterialets makroskala krystalegenskaber. Kort sagt er der en masse forståelse nødvendig for at koble de egenskaber, der kræves til applikationen, til materialespecifikationerne, så den kan skaleres fuldt ud. I samarbejde med Element Six søger AWS at forstå, hvad de faktorer er, der gør syntetisk diamant til kvantekvalitet; også hvad grænserne er, når det kommer til at reducere omkostningerne/kompleksiteten af ​​materialebearbejdning, så du får det du har brug for, ikke det du ikke har brug for.

Én ting er sikker: Element Six' forpligtelse til løbende investering i plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) vækstteknikker vil være afgørende for design, udvikling og fabrikation af diamantenheder til kvantenetværksapplikationer. Prioriteterne er allerede klare: forbedring af kontrollen over de typer af defekter, der skabes, og materialet, der indgår under vækst af syntetisk diamant; udvide de forskellige morfologier af diamanter, der kan fremstilles i skala; og samtidig reducere produktionsomkostningerne.

Så sagt på en anden måde: materialeinnovation er intet uden kontrol?

Det er korrekt. Opgaven fremadrettet er at fjerne alle variabiliteterne fra den syntetiske diamantfremstillingsproces, så vi kan optimere designet, integrationen og ydeevnen af ​​kvantefotoniske enheder og subsystemer ude i netværket. Endnu mere fundamentalt: Når vi fremstiller en syntetisk diamant fotonisk enhed i dag, bruger vi de øverste få mikron af en 0.5 mm tyk diamant, så vi er nødt til at finde måder at være meget mere effektive på. Tænk fremstillingsevne, tænk omkostningsreduktion og i sidste ende syntetiske diamantsubstrater, der er mere "fabbable" - dvs. kompatible med standard halvlederfremstillingsteknikker.

Hvordan ser AWS-teknologiens køreplan ud i kvantenetværk?

Med tiden skulle det være muligt at implementere, i volumen, diamantfotoniske enheder, der indeholder kvantehukommelser, der fungerer som kvanterepeatere – væsentlige byggesten til det, vi kalder "sammenfiltringsdistributionsnetværk". På kort sigt er F&U-prioriteten at arbejde sammen med virksomheder som Element Six om at levere de kvantekvalitets syntetiske diamantsubstrater, der vil gøre konstruktion og systemintegration på enhedsniveau mere pålidelig, skalerbar og netværksklar. Vores håb er, at fremskridt inden for fremstilling af syntetiske diamanter, før snarere end senere, vil give downstream teknologiinnovationer, der gør AWS kvantekommunikationssystemer til et must-have værktøj i vores virksomhedskunders netværkssikkerhed og privatlivsarsenal.

Jagten på en kvante 'game-changer'

Kvantekvalitet syntetisk diamant er ved at blive opstillet til en helt ny række fotoniske applikationer inden for kvanteberegning, kvantemetrologi og kvantenetværk - hvoraf mange ikke har nogen analoger i eksisterende materialer. Det akademiske samfund er på sin side fokuseret på at skubbe grænserne for, hvad der kan gøres med dette materiale, hvilket fører til paradigmeskift i kvantepræstationer, mens industrien handler om at tage den nuværende state-of-the-art og finde ud af, hvordan bedst at pakke og integrere konstrueret syntetisk diamant i næste generations kvanteenheder.

Med oversættelse fra forskningslaboratorium til markedet nu i centrum, bliver målene for succes for kvantediamant-enheder i stigende grad defineret langs koordinater som pålidelighed, robusthed, fremstillingsevne, skalerbarhed og forhold mellem omkostninger og ydeevne. Dette skift i tankegang og prioritering informerer kvanteudviklingsteamet hos Element Six, som anvender sin patenterede teknologi og knowhow inden for PECVD-fremstilling til at producere i skala kvantekvaliteter af enkrystal-diamant indeholdende kontrollerede niveauer af NV og SiV-spincentre til applikationer i kvantenetværkssystemer og videre.

"Syntetisk diamant kan tilbyde spilskiftende løsninger og give vores kunder og partnere mulighed for at gøre noget, der ikke kunne gøres før - fra at bygge en laser med hidtil usete effekttætheder til en syntetisk diamant 'akustisk kuppel' med exceptionelt høje frekvensegenskaber," forklarer Daniel Twitchen, chefteknolog hos Element Six.

"Bart Machielse og hans team hos AWS er ​​et eksempel på det," tilføjer han. "De kom til os, fordi vi gennem årene har udviklet en stor værktøjskasse af syntetiske diamantinnovationsevner. Vores akkumulerede knowhow stemmer overens med de tekniske udfordringer, der skal løses for at realisere en diamantkvantenetværksplatform, plus vi har demonstreret evnen til at skalere syntetisk diamant ind i et produktionsmiljø."

Samtidig indser Element Six, at nye vækstmarkeder for syntetisk diamant vil kræve løsninger, der gør det lettere for materialet at blive brugt – inden for den nye kvanteforsyningskæde og andre steder. "I sidste ende ligger behovet og muligheden ikke kun i at fremstille kvantekvalitets syntetisk diamant, men at behandle og integrere den i fotoniske enheder," bemærker Twitchen. "Og ved at gøre det reducerer barriererne for adoption af syntetisk diamant."

Lige nu er fokus for Twitchen og hans Element Six-kolleger at skalere virksomhedens industrielle partnerskaber inden for kvantenetværk, idet de allerede har etableret potentialet for syntetisk diamant i akademiske samarbejder med førende kvantenetværksgrupper på TU Delft i Holland såvel som MIT , Harvard University i USA.

"Hvad der har manglet til dato," slutter Twitchen, "er en stor industriaktør, der siger, at den kan udrulle kvantekommunikationssystemer ved at introducere en ny generation af kvantesikre netværkstjenester til deres kunder. De bliver ikke meget større end AWS, så det er spændende at samle vores ekspertise inden for kvantediamanter med AWS' knowhow inden for fotonik for at gøre denne vision til virkelighed."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/