Synthetischer Diamant: Wie Materialinnovationen die Regeln der Quantenvernetzung neu schreiben – Physics World

Während die heutigen Glasfasernetze klassische Informationen über globale Längenskalen verteilen, werden die Quantennetze der nicht allzu fernen Zukunft die exotischen Eigenschaften der Verschränkung und Überlagerung nutzen, um Quanteninformationen sicher zwischen Endnutzern auf der gleichen globalen Skala zu übertragen. Diese Fähigkeit wird quantenverschlüsselte Kommunikation für alle Arten von Organisationen ermöglichen – von Regierungen und Banken bis hin zu Gesundheitsdienstleistern und dem Militär – und unweigerlich den Weg für die Implementierung von parallelen Quantencomputing-Ressourcen im großen Maßstab mit Quanten-Remote-Computing-Knoten ebnen mechanisch über das Netzwerk übertragen.

Obwohl sie sich noch in der Entwicklung befinden, stellen Quantenrepeater eine Kerntechnologie dar, die das Quanteninternet in den Blick nimmt. Sie erfüllen eine ähnliche Funktion wie Faserverstärker in klassischen optischen Netzwerken, indem sie den Verlust und die Untreue korrigieren, die auftreten, wenn sich Quanteninformationen über weite Entfernungen ausbreiten (allerdings ohne). Störung des Quantenzustands des Lichts beim Durchgang durch das Netzwerk).

Quantenrepeater funktionieren, indem sie auf Photonen kodierte Informationen auf ein stationäres Speicher-Qubit übertragen, wo die Informationen gespeichert und korrigiert werden können. Defekte Qubits, beispielsweise Farbzentren in synthetischem Diamant, erweisen sich als glaubwürdige Kandidaten für diese Aufgabe, da sie über eine effektive Schnittstelle zum Licht (der Quelle ihrer Farbe) verfügen und weil diese Defekte über ein langlebiges „Spin“-Gedächtnis verfügen können. Zwei Klassen von Diamant-Defekt-Qubits stehen in diesem Zusammenhang im Mittelpunkt intensiven Forschungs- und Entwicklungsinteresses: das Stickstoff-Leerstellen-Spinzentrum (NV) und das Silizium-Leerstellen-Spinzentrum (SiV), die beide durch die Entfernung zweier benachbarter Kohlenstoffatome gebildet werden ein synthetisches Diamantkristallgitter und ersetzt sie durch ein einzelnes Stickstoff- bzw. Siliziumatom.

Hier Bart Machielse, leitender Quantenforscher am AWS-Zentrum für QuantennetzwerkeErzählt Physik-Welt wie sein Team auf die hochmodernen Materialwissenschafts- und Fertigungskapazitäten von Forschungspartnern zugreift Element Sechs „Quantenvorteil“ in optischen Kommunikationssystemen mithilfe von synthetischem Diamant zu realisieren.

Was ist das Hauptziel des AWS-Quantennetzwerkprogramms?

Das AWS Center for Quantum Networking befindet sich in Boston, Massachusetts, und verfügt über alle erforderlichen Tools zur Unterstützung einer unabhängigen Forschungs- und Entwicklungsinitiative im Bereich Quantenkommunikation. Daher fertigen, testen, charakterisieren und optimieren wir unsere eigenen Geräte für Proof-of-Concept-Tests in Quantennetzwerkexperimenten über große Entfernungen. In meiner Rolle leite ich das Geräte- und Verpackungsteam mit der Aufgabe, die Skalierung und Integration der Quantenphotonik (einschließlich der Photonik aus synthetischem Diamant) in hochwertige Forschungsdemonstratoren von Quantennetzwerktechnologien für den Einsatz voranzutreiben.

Vermutlich ist Zusammenarbeit in einem so wettbewerbsintensiven Umfeld eine Selbstverständlichkeit?

Es ist obligatorisch. Wir verlassen uns auf F&E-Partner, die einzigartige technische Fähigkeiten, fundiertes Fachwissen und Fachwissen einbringen können. Bei unserer Zusammenarbeit mit Element Six geht es beispielsweise darum, synthetischen Diamanten als Materialplattform für photonische Geräte neu zu denken und zu transformieren, die für Anwendungen in Quantenspeichern und Quantenrepeatern bestimmt sind. Kurz gesagt bedeutet das, dass wir uns von unserem jetzigen Stand – einem Substrat, mit dem sich bei der nanophotonischen Fertigung schwierig arbeiten lässt – zu einem Material weiterentwickeln, das mit einer skalierbaren, reproduzierbaren und kostengünstigen Halbleiterfertigung kompatibel ist.

Wie funktioniert die Zusammenarbeit mit Element Six operativ?

Die Zusammenarbeit mit Element Six ist eine echte F&E-Zusammenarbeit. Zunächst einmal besteht eine enge Zusammenarbeit zwischen den Materialexperten von Element Six und dem Quantenphotonik-Team hier bei AWS. Das gemeinsame Gespräch ist der Schlüssel zur erfolgreichen Umsetzung des grundlegenden Material-Know-hows bei Element Six in eine verbesserte Leistung auf Geräteebene.

In dieser Hinsicht dreht sich alles um die Pipeline: Unsere Aufgabe bei AWS besteht darin, die von Element Six hergestellten Diamantsubstrate zu nehmen und unsere speziellen optischen, Fertigungs-, Mikrowellen- und Kryo-Tools anzuwenden, um die Quantenleistung dieses Materials bei der Herstellung in Photonik besser zu verstehen Geräte – insbesondere wie sich die optische Emission im Vergleich zu grundlegenden Materialeigenschaften wie Versetzungsdichte, Spannung, Oberflächenglätte und dergleichen abbildet.

Was sind die größten fertigungstechnischen und technischen Herausforderungen beim Einsatz von synthetischem Diamant in Quantennetzwerksystemen?

Derzeit ist vieles, was wir in der Photonik synthetischer Diamanten tun, höchst probabilistisch – zum Beispiel im Hinblick auf die Probenreinheit, die Bildung von Defekten, die genaue Lage dieser Defekte und die Kristalleigenschaften des Substratmaterials im Makromaßstab. Kurz gesagt, es ist viel Verständnis erforderlich, um die für die Anwendung erforderlichen Eigenschaften mit den Materialspezifikationen zu verknüpfen, damit sie vollständig skaliert werden können. In Zusammenarbeit mit Element Six versucht AWS zu verstehen, welche Faktoren synthetischen Diamanten quantentauglich machen; Auch wo liegen die Grenzen, wenn es darum geht, die Kosten/Komplexität der Materialverarbeitung zu senken, sodass Sie das bekommen, was Sie brauchen, und nicht das, was Sie nicht brauchen?

Eines ist sicher: Das Engagement von Element Six für kontinuierliche Investitionen in Wachstumstechniken der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) wird für den Entwurf, die Entwicklung und die Herstellung von Diamantbauelementen für Quantennetzwerkanwendungen im großen Maßstab von entscheidender Bedeutung sein. Die Prioritäten sind bereits klar: Verbesserung der Kontrolle über die Art der erzeugten Defekte und das beim Wachstum synthetischer Diamanten eingearbeitete Material; Erweiterung der unterschiedlichen Morphologien von Diamanten, die in großem Maßstab hergestellt werden können; und gleichzeitig die Herstellungskosten senken.

Anders ausgedrückt: Materialinnovationen sind nichts ohne Kontrolle?

Das ist richtig. Die Aufgabe für die Zukunft besteht darin, alle Schwankungen aus dem Herstellungsprozess synthetischer Diamanten zu beseitigen, damit wir das Design, die Integration und die Leistung von quantenphotonischen Geräten und Subsystemen im Netzwerk optimieren können. Noch grundlegender: Wenn wir heute ein photonisches Gerät aus synthetischem Diamant herstellen, verwenden wir die obersten paar Mikrometer eines 0.5 mm dicken Diamanten, also müssen wir Wege finden, um viel effizienter zu sein. Denken Sie an die Herstellbarkeit, an die Kostenreduzierung und letztendlich an synthetische Diamantsubstrate, die besser „herstellbar“ sind – d. h. kompatibel mit Standard-Halbleiterfertigungstechniken.

Wie sieht die AWS-Technologie-Roadmap im Quantennetzwerk aus?

Mit der Zeit sollte es möglich sein, photonische Diamantgeräte mit Quantenspeichern, die als Quantenrepeater dienen, in großen Mengen einzusetzen – wesentliche Bausteine ​​für das, was wir „Verschränkungsverteilungsnetzwerke“ nennen. Kurzfristig besteht die F&E-Priorität darin, mit Unternehmen wie Element Six zusammenzuarbeiten, um synthetische Diamantsubstrate in Quantenqualität zu liefern, die die Technik und Systemintegration auf Geräteebene zuverlässiger, skalierbarer und netzwerkfähiger machen. Wir hoffen, dass Fortschritte in der Herstellung synthetischer Diamanten eher früher als später zu nachgelagerten Technologieinnovationen führen werden, die AWS-Quantenkommunikationssysteme zu einem unverzichtbaren Werkzeug im Netzwerksicherheits- und Datenschutzarsenal unserer Unternehmenskunden machen.

Die Suche nach einem Quanten-Game-Changer

Synthetischer Diamant in Quantenqualität wird für eine ganze Reihe neuer photonischer Anwendungen in den Bereichen Quantencomputing, Quantenmetrologie und Quantennetzwerke eingesetzt – von denen viele keine Analoga in bestehenden Materialien haben. Die akademische Gemeinschaft wiederum konzentriert sich darauf, die Grenzen dessen, was mit diesem Material machbar ist, zu erweitern, was zu Paradigmenwechseln in der Quantenleistung führt, während es in der Industrie darum geht, den aktuellen Stand der Technik zu nutzen und herauszufinden, wie das geht am besten geeignet, synthetischen Diamanten zu verpacken und in Quantengeräte der nächsten Generation zu integrieren.

Da die Umsetzung vom Forschungslabor auf den Markt jetzt im Vordergrund steht, werden die Erfolgsmaßstäbe für Quantendiamantgeräte zunehmend anhand von Koordinaten wie Zuverlässigkeit, Robustheit, Herstellbarkeit, Skalierbarkeit und Kosten-Leistungs-Verhältnis definiert. Diese Änderung der Denkweise und Priorität prägt die Arbeit des Quantenentwicklungsteams bei Element Six, das seine patentierte Technologie und sein Know-how in der PECVD-Fertigung anwendet, um in großem Maßstab Quantenqualitäten von einkristallinem Diamant mit kontrollierten NV- und NV-Werten herzustellen SiV-Spinzentren für Anwendungen in Quantennetzwerksystemen und darüber hinaus.

„Synthetischer Diamant kann bahnbrechende Lösungen bieten und unseren Kunden und Partnern ermöglichen, etwas zu tun, was vorher nicht möglich war – vom Bau eines Lasers mit beispielloser Leistungsdichte bis hin zu einer ‚akustischen Kuppel‘ aus synthetischem Diamant mit außergewöhnlich hohen Frequenzeigenschaften“, erklärt Daniel Twitchen, Cheftechnologe bei Element Six.

„Bart Machielse und sein Team bei AWS sind ein typisches Beispiel“, fügt er hinzu. „Sie kamen zu uns, weil wir im Laufe der Jahre einen großen Werkzeugkasten an Innovationsmöglichkeiten für synthetische Diamanten entwickelt haben. Unser gesammeltes Know-how passt zu den technischen Herausforderungen, die gelöst werden müssen, um eine Diamant-Quantennetzwerkplattform zu realisieren, und wir haben außerdem die Fähigkeit bewiesen, synthetischen Diamanten in eine Produktionsumgebung zu skalieren.“

Gleichzeitig ist sich Element Six bewusst, dass neue Wachstumsmärkte für synthetischen Diamanten Lösungen erfordern, die die Verwendung des Materials erleichtern – innerhalb der aufstrebenden Quantenlieferkette und anderswo. „Letztendlich liegt der Bedarf und die Chance nicht nur in der Herstellung von synthetischem Diamant in Quantenqualität, sondern auch in der Verarbeitung und Integration in photonische Geräte“, bemerkt Twitchen. „Und dadurch werden die Hürden für die Einführung von synthetischem Diamant verringert.“

Derzeit liegt der Fokus für Twitchen und seine Kollegen von Element Six auf der Skalierung der Industriepartnerschaften des Unternehmens im Bereich Quantennetzwerke, da sie bereits in akademischen Kooperationen mit führenden Quantennetzwerkgruppen das Potenzial von synthetischem Diamant nachgewiesen haben TU Delft in den Niederlanden sowie MIT und Harvard University in den USA.

„Was bisher gefehlt hat“, schließt Twitchen, „ist, dass ein großer Branchenakteur sagt, er könne Quantenkommunikationssysteme einführen, indem er seinen Kunden eine neue Generation quantensicherer Netzwerkdienste einführt.“ Sie sind nicht viel größer als AWS, daher ist es spannend, unsere Expertise im Bereich Quantendiamanten mit dem Know-how von AWS in der Photonik zu bündeln, um diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/