Συνθετικό διαμάντι: πώς η καινοτομία υλικών ξαναγράφει τους κανόνες της κβαντικής δικτύωσης – Physics World

Ενώ τα σημερινά δίκτυα οπτικών ινών διανέμουν κλασικές πληροφορίες σε παγκόσμιες κλίμακες μήκους, τα κβαντικά δίκτυα του όχι και τόσο μακρινού αύριο θα εκμεταλλευτούν τις εξωτικές ιδιότητες της εμπλοκής και της υπέρθεσης για να μεταδώσουν με ασφάλεια κβαντικές πληροφορίες μεταξύ τελικών χρηστών στην ίδια παγκόσμια κλίμακα. Αυτή η δυνατότητα θα επιτρέψει κβαντικές κρυπτογραφημένες επικοινωνίες για όλους τους οργανισμούς – από κυβερνήσεις και τράπεζες μέχρι παρόχους υγειονομικής περίθαλψης και στρατό – και θα ανοίξει το δρόμο, αναπόφευκτα, στην εφαρμογή παράλληλων πόρων κβαντικής υπολογιστικής κλίμακας, με απομακρυσμένους κόμβους υπολογιστών συνδεδεμένους με κβαντικό μηχανικά σε όλο το δίκτυο.

Αν και ακόμη υπό ανάπτυξη, οι κβαντικοί επαναλήπτες αντιπροσωπεύουν μια βασική τεχνολογία ενεργοποίησης καθώς εμφανίζεται το κβαντικό Διαδίκτυο, εξυπηρετώντας παρόμοια λειτουργία με τους ενισχυτές ινών στα κλασικά οπτικά δίκτυα διορθώνοντας την απώλεια και την απιστία που συμβαίνουν καθώς οι κβαντικές πληροφορίες διαδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις (αν και χωρίς διαταράσσοντας την κβαντική κατάσταση του φωτός καθώς διέρχεται από το δίκτυο).

Οι κβαντικοί επαναλήπτες λειτουργούν μεταφέροντας πληροφορίες που κωδικοποιούνται σε φωτόνια σε ένα qubit σταθερής μνήμης όπου οι πληροφορίες μπορούν να αποθηκευτούν και να διορθωθούν. Τα qubit ελαττωμάτων, όπως τα χρωματικά κέντρα σε συνθετικό διαμάντι, διαμορφώνονται ως αξιόπιστοι υποψήφιοι για αυτήν την εργασία επειδή έχουν μια αποτελεσματική διασύνδεση με το φως (την πηγή του χρώματός τους) και επειδή αυτά τα ελαττώματα μπορούν να έχουν μια μακρόχρονη μνήμη "spin". Δύο κατηγορίες qubits με ελαττώματα διαμαντιού αποτελούν το επίκεντρο του έντονου ενδιαφέροντος Ε&Α από αυτή την άποψη: το κέντρο περιστροφής κενού αζώτου (NV) και το κέντρο περιστροφής κενού πυριτίου (SiV), τα οποία σχηματίζονται με την αφαίρεση δύο γειτονικών ατόμων άνθρακα από ένα συνθετικό κρυσταλλικό πλέγμα διαμαντιών και αντικατάστασή τους με ένα μόνο άτομο αζώτου ή πυριτίου, αντίστοιχα.

Εδώ ο Bart Machielse, ανώτερος επιστήμονας κβαντικής έρευνας στο AWS Center for Quantum Networking, λέει Κόσμος Φυσικής πώς η ομάδα του έχει πρόσβαση στις κορυφαίες δυνατότητες επιστήμης υλικών και κατασκευής του ερευνητικού συνεργάτη Στοιχείο έξι να συνειδητοποιήσουν το «κβαντικό πλεονέκτημα» σε συστήματα οπτικών επικοινωνιών που χρησιμοποιούν συνθετικό διαμάντι.

Ποιος είναι ο πρωταρχικός στόχος για το πρόγραμμα κβαντικής δικτύωσης AWS;

Το AWS Center for Quantum Networking βρίσκεται στη Βοστώνη της Μασαχουσέτης και διαθέτει όλα τα εργαλεία που χρειάζονται για να υποστηρίξει μια ανεξάρτητη πρωτοβουλία Ε&Α στις κβαντικές επικοινωνίες. Ως εκ τούτου, κατασκευάζουμε, δοκιμάζουμε, χαρακτηρίζουμε και βελτιστοποιούμε τις δικές μας συσκευές για δοκιμές proof-of-concept σε πειράματα κβαντικής δικτύωσης μεγάλων αποστάσεων. Στο ρόλο μου, ηγούμαι της ομάδας συσκευών και συσκευασιών με αρμοδιότητα να οδηγήσω την κλιμάκωση και την ενσωμάτωση της κβαντικής φωτονικής (συμπεριλαμβανομένης της φωτονικής συνθετικών διαμαντιών) σε υψηλού επιπέδου ερευνητικούς επίδειξης τεχνολογιών κβαντικής δικτύωσης βαθμού ανάπτυξης.

Μάλλον η συνεργασία είναι δεδομένη σε έναν τόσο ανταγωνιστικό τομέα;

Είναι υποχρεωτικό. Βασιζόμαστε σε συνεργάτες Ε&Α που μπορούν να φέρουν στο τραπέζι μοναδικές τεχνικές δυνατότητες, βαθιά γνώση του τομέα και εξειδικευμένη τεχνογνωσία. Η συνεργασία μας με το Element Six, για παράδειγμα, έχει να κάνει με τον επανασχεδιασμό και τη μετατροπή του συνθετικού διαμαντιού ως πλατφόρμα υλικού για φωτονικές συσκευές που προορίζονται για εφαρμογές σε κβαντικές μνήμες και κβαντικούς επαναλήπτες. Εν συντομία, αυτό σημαίνει να προχωρήσουμε από το σημείο που βρισκόμαστε τώρα – ένα υπόστρωμα με το οποίο είναι δύσκολο να δουλέψουμε όταν πρόκειται για νανοφωτονική κατασκευή – σε ένα υλικό που είναι συμβατό με επεκτάσιμη, αναπαραγώγιμη και οικονομικά αποδοτική κατασκευή σε στυλ ημιαγωγών.

Πώς λειτουργεί λειτουργικά η συνεργασία με το Element Six;

Η συνεργασία με το Element Six είναι μια πραγματική συνεργασία Ε&Α. Για αρχή, υπάρχει στενή ενοποίηση μεταξύ των ειδικών υλικών στο Element Six και της ομάδας κβαντικής φωτονικής εδώ στο AWS. Η συλλογική συζήτηση είναι το κλειδί για την επιτυχημένη μετάφραση της τεχνογνωσίας βασικών υλικών στο Στοιχείο Έξι σε βελτιωμένη απόδοση σε επίπεδο συσκευής.

Είναι όλα σχετικά με τον αγωγό από αυτή την άποψη: η δουλειά μας στην AWS είναι να πάρουμε τα υποστρώματα διαμαντιών που παράγει το Element Six και να εφαρμόσουμε τα εξειδικευμένα οπτικά, κατασκευής, μικροκυμάτων και κρυογονικών εργαλείων μας για να κατανοήσουμε καλύτερα την κβαντική απόδοση αυτού του υλικού όταν κατασκευάζεται σε φωτονικό συσκευές – ειδικότερα, πώς χαρτογραφούνται οι οπτικές εκπομπές σε σχέση με τις θεμελιώδεις ιδιότητες των υλικών, όπως η πυκνότητα εξάρθρωσης, η καταπόνηση, η ομαλότητα της επιφάνειας και τα παρόμοια.

Ποιες είναι οι κύριες προκλήσεις παραγωγής και μηχανικής όσον αφορά την ανάπτυξη συνθετικού διαμαντιού σε συστήματα κβαντικής δικτύωσης;

Αυτήν τη στιγμή, πολλά από αυτά που κάνουμε στη φωτονική συνθετικών διαμαντιών είναι πολύ πιθανά - για παράδειγμα, όσον αφορά την καθαρότητα του δείγματος, τον σχηματισμό ελαττωμάτων, την ακριβή θέση αυτών των ελαττωμάτων και τις κρυσταλλικές ιδιότητες μακρο-κλίμακας του υλικού υποστρώματος. Εν ολίγοις, απαιτείται πολλή κατανόηση για τη σύνδεση των ιδιοτήτων που απαιτούνται για την εφαρμογή με τις προδιαγραφές του υλικού, ώστε να μπορεί να κλιμακωθεί πλήρως. Σε συνεργασία με το Element Six, η AWS επιδιώκει να κατανοήσει ποιοι είναι οι παράγοντες που καθιστούν το συνθετικό διαμάντι κβαντικής ποιότητας. Επίσης ποια είναι τα όρια όσον αφορά τη μείωση του κόστους/πολυπλοκότητας της επεξεργασίας των υλικών, ώστε να λαμβάνετε αυτό που χρειάζεστε και όχι αυτό που δεν χρειάζεστε.

Ένα πράγμα είναι βέβαιο: Η δέσμευση του Element Six για συνεχή επένδυση σε τεχνικές ανάπτυξης χημικής εναπόθεσης ατμών (PECVD) ενισχυμένης με πλάσμα θα είναι κρίσιμης σημασίας για το σχεδιασμό, την ανάπτυξη και την κατασκευή σε κλίμακα συσκευών διαμαντιών για εφαρμογές κβαντικής δικτύωσης. Οι προτεραιότητες είναι ήδη σαφείς: βελτίωση του ελέγχου των τύπων των ελαττωμάτων που δημιουργούνται και του υλικού που ενσωματώνεται κατά την ανάπτυξη του συνθετικού διαμαντιού. διεύρυνση των διαφορετικών μορφολογιών των διαμαντιών που μπορούν να παραχθούν σε κλίμακα· και ταυτόχρονα μείωση του κόστους κατασκευής.

Με άλλα λόγια: η καινοτομία στα υλικά δεν είναι τίποτα χωρίς έλεγχο;

Αυτό είναι σωστό. Η μελλοντική εργασία είναι να αφαιρέσουμε όλες τις μεταβλητές από τη διαδικασία κατασκευής συνθετικών διαμαντιών, ώστε να μπορούμε να βελτιστοποιήσουμε το σχεδιασμό, την ολοκλήρωση και την απόδοση των κβαντικών φωτονικών συσκευών και υποσυστημάτων στο δίκτυο. Ακόμη πιο θεμελιώδες: όταν κατασκευάζουμε μια φωτονική συσκευή συνθετικού διαμαντιού σήμερα, χρησιμοποιούμε τα κορυφαία λίγα μικρά ενός διαμαντιού πάχους 0.5 mm, επομένως πρέπει να βρούμε τρόπους για να είμαστε πολύ πιο αποτελεσματικοί. Σκεφτείτε τη δυνατότητα κατασκευής, σκεφτείτε τη μείωση του κόστους και, τελικά, τα υποστρώματα συνθετικού διαμαντιού που είναι πιο «παραμυθένια» – δηλαδή συμβατά με τις τυπικές τεχνικές κατασκευής ημιαγωγών.

Πώς μοιάζει ο οδικός χάρτης τεχνολογίας AWS στην κβαντική δικτύωση;

Με τον καιρό, θα πρέπει να είναι δυνατή η ανάπτυξη, σε όγκο, διαμαντένιες φωτονικές συσκευές που περιέχουν κβαντικές μνήμες που χρησιμεύουν ως κβαντικοί επαναλήπτες – βασικά δομικά στοιχεία για αυτό που ονομάζουμε «δίκτυα διανομής εμπλοκής». Βραχυπρόθεσμα, η προτεραιότητα Ε&Α είναι η συνεργασία με εταιρείες όπως το Element Six για την παροχή υποστρωμάτων από συνθετικό διαμάντι κβαντικής ποιότητας που θα καταστήσει τη μηχανική και την ενοποίηση συστημάτων σε επίπεδο συσκευής πιο αξιόπιστη, επεκτάσιμη και έτοιμα για δίκτυο. Ελπίζουμε ότι οι πρόοδοι στην κατασκευή συνθετικών διαμαντιών θα αποφέρουν, νωρίτερα παρά αργότερα, τεχνολογικές καινοτομίες που καθιστούν τα κβαντικά συστήματα επικοινωνίας AWS απαραίτητο εργαλείο στο οπλοστάσιο ασφάλειας δικτύου και απορρήτου των εταιρικών πελατών μας.

Η αναζήτηση για μια κβαντική «αλλαγή παιχνιδιών»

Το συνθετικό διαμάντι κβαντικής ποιότητας παρατάσσεται για μια εντελώς νέα σειρά φωτονικών εφαρμογών στους κβαντικούς υπολογιστές, την κβαντική μετρολογία και την κβαντική δικτύωση – πολλές από τις οποίες δεν έχουν ανάλογα με τα υπάρχοντα υλικά. Η ακαδημαϊκή κοινότητα, από την πλευρά της, επικεντρώνεται στο να ωθήσει τα όρια του τι μπορεί να γίνει με αυτό το υλικό, οδηγώντας σε αλλαγές παραδειγμάτων στην κβαντική απόδοση, ενώ η βιομηχανία έχει να κάνει με την υιοθέτηση της τρέχουσας αιχμής και να καταλάβει πώς είναι καλύτερο να συσκευάζετε και να ενσωματώνετε κατασκευασμένο συνθετικό διαμάντι σε κβαντικές συσκευές επόμενης γενιάς.

Με τη μετάφραση από το ερευνητικό εργαστήριο στην αγορά πλέον μπροστά και στο κέντρο, τα μέτρα επιτυχίας για συσκευές κβαντικού διαμαντιού καθορίζονται όλο και περισσότερο σύμφωνα με συντεταγμένες όπως η αξιοπιστία, η ευρωστία, η κατασκευαστικότητα, η επεκτασιμότητα και η αναλογία κόστους/απόδοσης. Αυτή η αλλαγή νοοτροπίας και προτεραιότητας πληροφορεί το έργο της ομάδας κβαντικής ανάπτυξης στο Element Six, η οποία εφαρμόζει την πατενταρισμένη τεχνολογία και την τεχνογνωσία της στην κατασκευή PECVD για να παράγει, σε κλίμακα, κβαντικές ποιότητες μονοκρυσταλλικού διαμαντιού που περιέχουν ελεγχόμενα επίπεδα NV και Κέντρα περιστροφής SiV για εφαρμογές σε συστήματα κβαντικής δικτύωσης και όχι μόνο.

«Το συνθετικό διαμάντι μπορεί να προσφέρει λύσεις που αλλάζουν το παιχνίδι και να επιτρέψει στους πελάτες και τους συνεργάτες μας να κάνουν κάτι που δεν θα μπορούσε να γίνει πριν – από την κατασκευή ενός λέιζερ με πρωτοφανείς πυκνότητες ισχύος έως έναν «ακουστικό θόλο» συνθετικού διαμαντιού με εξαιρετικά χαρακτηριστικά υψηλής συχνότητας», εξηγεί. Daniel Twitchen, επικεφαλής τεχνολόγος στο Element Six.

«Ο Bart Machielse και η ομάδα του στο AWS είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα», προσθέτει. «Ήρθαν σε εμάς γιατί, με τα χρόνια, έχουμε αναπτύξει μια μεγάλη εργαλειοθήκη με δυνατότητες καινοτομίας από συνθετικά διαμάντια. Η συσσωρευμένη τεχνογνωσία μας ευθυγραμμίζεται με τις τεχνικές προκλήσεις που πρέπει να επιλυθούν για να υλοποιηθεί μια πλατφόρμα κβαντικής δικτύωσης διαμαντιών, καθώς και ότι έχουμε αποδείξει την ικανότητα να κλιμακώνουμε το συνθετικό διαμάντι σε ένα περιβάλλον παραγωγής».

Ταυτόχρονα, το Στοιχείο Έξι συνειδητοποιεί ότι οι νέες αναπτυσσόμενες αγορές για συνθετικό διαμάντι θα απαιτήσουν λύσεις που θα διευκολύνουν τη χρήση του υλικού – εντός της αναδυόμενης κβαντικής αλυσίδας εφοδιασμού και αλλού. «Σε τελική ανάλυση, η ανάγκη και η ευκαιρία δεν βρίσκονται μόνο στην κατασκευή συνθετικού διαμαντιού κβαντικής ποιότητας, αλλά στην επεξεργασία και ενσωμάτωσή του σε φωτονικές συσκευές», σημειώνει ο Twitchen. «Και, με αυτόν τον τρόπο, μειώνοντας τα εμπόδια για την υιοθέτηση του συνθετικού διαμαντιού».

Αυτήν τη στιγμή, το επίκεντρο για τον Twitchen και τους συναδέλφους του στο Element Six είναι να κλιμακώσουν τις βιομηχανικές συνεργασίες της εταιρείας στον τομέα της κβαντικής δικτύωσης, έχοντας ήδη δημιουργήσει τις δυνατότητες του συνθετικού διαμαντιού σε ακαδημαϊκές συνεργασίες με κορυφαίες ομάδες κβαντικής δικτύωσης στο TU Delft στην Ολλανδία καθώς και MIT και Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ στις Η.Π.Α.

«Αυτό που λείπει μέχρι σήμερα», καταλήγει η Twitchen, «είναι ένας μεγάλος παίκτης του κλάδου που λέει ότι μπορεί να αναπτύξει συστήματα κβαντικών επικοινωνιών εισάγοντας μια νέα γενιά υπηρεσιών κβαντικής ασφάλειας δικτύου για τους πελάτες του. Δεν είναι πολύ μεγαλύτερα από το AWS, επομένως είναι συναρπαστικό να συγκεντρώνουμε την τεχνογνωσία μας σε διαμάντια κβαντικής ποιότητας με την τεχνογνωσία της AWS στη φωτονική για να κάνουμε αυτό το όραμα πραγματικότητα».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/