Diamante sintético: cómo la innovación de materiales está reescribiendo las reglas de las redes cuánticas – Physics World

Mientras que las redes de fibra óptica actuales distribuyen información clásica a través de escalas de longitud globales, las redes cuánticas de un mañana no muy lejano explotarán las exóticas propiedades del entrelazamiento y la superposición para transmitir de forma segura información cuántica entre usuarios finales en la misma escala global. Esta capacidad permitirá comunicaciones cifradas cuánticamente para todo tipo de organizaciones (desde gobiernos y bancos hasta proveedores de atención médica y militares) y abrirá el camino, inevitablemente, a la implementación de recursos de computación cuántica paralela a escala, con nodos de computación remota conectados. mecánicamente a través de la red.

Aunque todavía están en desarrollo, los repetidores cuánticos representan una tecnología fundamental a medida que la Internet cuántica aparece, cumpliendo una función similar a la de los amplificadores de fibra en las redes ópticas clásicas al corregir la pérdida y la infidelidad que ocurren cuando la información cuántica se propaga a largas distancias (aunque sin alterando el estado cuántico de la luz a medida que pasa a través de la red).

Los repetidores cuánticos funcionan transfiriendo información codificada en fotones a un qubit de memoria estacionario donde la información se puede almacenar y corregir. Los qubits defectuosos, como los centros de color en diamantes sintéticos, se perfilan como candidatos creíbles para esta tarea porque tienen una interfaz eficaz con la luz (la fuente de su color) y porque estos defectos pueden tener una memoria de "giro" de larga duración. Dos clases de qubits con defectos de diamante son objeto de intenso interés en I+D a este respecto: el centro de espín vacante de nitrógeno (NV) y el centro de espín vacante de silicio (SiV), los cuales se forman eliminando dos átomos de carbono adyacentes de una red cristalina de diamante sintético y reemplazándolos con un solo átomo de nitrógeno o silicio, respectivamente.

Aquí Bart Machielse, científico senior de investigación cuántica en el Centro de AWS para redes cuánticas, dice Mundo de la física cómo su equipo accede a las capacidades de fabricación y ciencia de materiales de vanguardia del socio de investigación Elemento seis para lograr una “ventaja cuántica” en los sistemas de comunicaciones ópticas que utilizan diamante sintético.

¿Cuál es el objetivo principal del programa de redes cuánticas de AWS?

El Centro AWS para redes cuánticas está ubicado en Boston, Massachusetts, y cuenta con todas las herramientas necesarias para respaldar una iniciativa independiente de I+D en comunicaciones cuánticas. Como tal, fabricamos, probamos, caracterizamos y optimizamos nuestros propios dispositivos para pruebas de concepto en experimentos de redes cuánticas a larga distancia. En mi función, dirijo el equipo de dispositivos y empaquetado con el cometido de impulsar la ampliación y la integración de la fotónica cuántica (incluida la fotónica de diamantes sintéticos) en demostradores de investigación de alto nivel de tecnologías de redes cuánticas de grado de implementación.

Presumiblemente, ¿la colaboración es un hecho en un campo tan competitivo?

Es obligatorio. Confiamos en socios de I+D que pueden aportar capacidades técnicas únicas, un profundo conocimiento del dominio y conocimientos especializados. Nuestra colaboración con Element Six, por ejemplo, tiene como objetivo reimaginar y transformar el diamante sintético como plataforma material para dispositivos fotónicos destinados a aplicaciones en memorias cuánticas y repetidores cuánticos. En resumen, eso significa progresar desde donde estamos ahora (un sustrato con el que es complicado trabajar cuando se trata de fabricación nanofotónica) a un material que sea compatible con una fabricación de estilo semiconductor escalable, reproducible y rentable.

¿Cómo funciona operativamente la colaboración con Element Six?

Trabajar con Element Six es una verdadera colaboración de I+D. Para empezar, existe una estrecha integración entre los expertos en materiales de Element Six y el equipo de fotónica cuántica aquí en AWS. La conversación colectiva es clave para traducir con éxito el conocimiento básico sobre materiales de Element Six en un rendimiento mejorado a nivel de dispositivo.

En este sentido, todo depende del proceso: nuestro trabajo en AWS es tomar los sustratos de diamante que produce Element Six y aplicar nuestras herramientas ópticas, de fabricación, de microondas y criogénicas especializadas para comprender mejor el rendimiento cuántico de ese material cuando se fabrica en fotónico. dispositivos, en particular, cómo se mapea la emisión óptica versus las propiedades fundamentales de los materiales, como la densidad de dislocación, la tensión, la suavidad de la superficie y similares.

¿Cuáles son los principales desafíos de fabricación e ingeniería cuando se trata de implementar diamantes sintéticos en sistemas de redes cuánticas?

En este momento, mucho de lo que hacemos en fotónica de diamantes sintéticos es altamente probabilístico, por ejemplo, en términos de pureza de la muestra, la formación de defectos, la ubicación exacta de esos defectos y las propiedades cristalinas a macroescala del material del sustrato. En resumen, se necesita mucha comprensión para vincular las propiedades requeridas para la aplicación con las especificaciones del material para que pueda ampliarse por completo. En colaboración con Element Six, AWS busca comprender cuáles son los factores que hacen que el diamante sintético sea de grado cuántico; también cuáles son los límites cuando se trata de reducir el costo/complejidad del procesamiento de materiales para que usted obtenga lo que necesita, no lo que no necesita.

Una cosa es segura: el compromiso de Element Six con la inversión continua en técnicas de crecimiento de deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD) será fundamental para el diseño, desarrollo y fabricación a escala de dispositivos de diamante para aplicaciones de redes cuánticas. Las prioridades ya están claras: mejorar el control sobre los tipos de defectos creados y el material incorporado durante el crecimiento del diamante sintético; ampliar las diferentes morfologías de diamantes que se pueden producir a escala; y simultáneamente reducir el coste de fabricación.

Dicho de otra manera: ¿la innovación de materiales no es nada sin control?

Eso es correcto. La tarea futura es eliminar todas las variabilidades del proceso de fabricación de diamantes sintéticos para que podamos optimizar el diseño, la integración y el rendimiento de los dispositivos y subsistemas fotónicos cuánticos en la red. Aún más fundamental: cuando hoy fabricamos un dispositivo fotónico de diamante sintético, utilizamos las pocas micras superiores de un diamante de 0.5 mm de espesor, por lo que necesitamos encontrar formas de ser mucho más eficientes. Piense en la capacidad de fabricación, en la reducción de costos y, en última instancia, en sustratos de diamantes sintéticos que sean más "fabulosos", es decir, compatibles con las técnicas estándar de fabricación de semiconductores.

¿Cómo es la hoja de ruta tecnológica de AWS en las redes cuánticas?

Con el tiempo, debería ser posible implementar, en volumen, dispositivos fotónicos de diamante que contengan memorias cuánticas que sirvan como repetidores cuánticos, componentes esenciales para lo que llamamos "redes de distribución de entrelazamiento". A corto plazo, la prioridad de I+D es trabajar con empresas como Element Six para ofrecer sustratos de diamante sintético de grado cuántico que harán que la ingeniería y la integración de sistemas a nivel de dispositivo sean más confiables, escalables y listas para la red. Nuestra esperanza es que los avances en la fabricación de diamantes sintéticos produzcan, más temprano que tarde, innovaciones tecnológicas posteriores que hagan de los sistemas de comunicación cuántica de AWS una herramienta imprescindible en el arsenal de seguridad y privacidad de la red de nuestros clientes corporativos.

La búsqueda de un 'cambio de juego' cuántico

El diamante sintético de grado cuántico se está preparando para una gama completamente nueva de aplicaciones fotónicas en computación cuántica, metrología cuántica y redes cuánticas, muchas de las cuales no tienen análogos en los materiales existentes. La comunidad académica, por su parte, se centra en superar los límites de lo que se puede hacer con este material, lo que lleva a cambios de paradigma en el rendimiento cuántico, mientras que la industria se centra en tomar los últimos avances actuales y descubrir cómo Lo mejor es empaquetar e integrar diamantes sintéticos diseñados en dispositivos cuánticos de próxima generación.

Con la traducción del laboratorio de investigación al mercado ahora en primer plano, las medidas de éxito de los dispositivos de diamante cuántico se definen cada vez más en función de coordenadas como confiabilidad, robustez, capacidad de fabricación, escalabilidad y relación costo/rendimiento. Ese cambio de mentalidad y prioridad informa el trabajo del equipo de desarrollo cuántico de Element Six, que está aplicando su tecnología patentada y sus conocimientos en la fabricación de PECVD para producir, a escala, grados cuánticos de diamante monocristalino que contienen niveles controlados de NV y Centros de espín SiV para aplicaciones en sistemas de redes cuánticas y más.

"El diamante sintético puede ofrecer soluciones revolucionarias y permitir a nuestros clientes y socios hacer algo que antes no se podía hacer: desde construir un láser con densidades de potencia sin precedentes hasta una 'cúpula acústica' de diamante sintético con características de frecuencia excepcionalmente altas", explica Daniel Twitchen, tecnólogo jefe de Element Six.

“Bart Machielse y su equipo en AWS son un ejemplo de ello”, añade. “Vinieron a nosotros porque, a lo largo de los años, hemos desarrollado un gran conjunto de herramientas de capacidades de innovación en diamantes sintéticos. Nuestro conocimiento acumulado se alinea con los desafíos técnicos que deben resolverse para realizar una plataforma de redes cuánticas de diamantes, además hemos demostrado la capacidad de escalar diamantes sintéticos a un entorno de producción”.

Al mismo tiempo, Element Six se da cuenta de que los nuevos mercados en crecimiento para el diamante sintético requerirán soluciones que faciliten el uso del material, dentro de la cadena de suministro cuántica emergente y en otros lugares. “En última instancia, la necesidad y la oportunidad no residen sólo en fabricar diamantes sintéticos de grado cuántico, sino también en procesarlos e integrarlos en dispositivos fotónicos”, señala Twitchen. "Y, al hacerlo, reducir las barreras para la adopción de diamantes sintéticos".

En este momento, el objetivo de Twitchen y sus colegas de Element Six es escalar las asociaciones industriales de la compañía en el campo de las redes cuánticas, habiendo establecido ya el potencial del diamante sintético en colaboraciones académicas con los principales grupos de redes cuánticas en TU Delft en los Países Bajos, así como MIT y La Universidad de Harvard en los EE.UU.

“Lo que ha faltado hasta la fecha”, concluye Twitchen, “es un gran actor de la industria que diga que puede implementar sistemas de comunicaciones cuánticas mediante la introducción de una nueva generación de servicios de red cuánticos seguros para sus clientes. No hay productos mucho más grandes que AWS, por lo que es emocionante combinar nuestra experiencia en diamantes de grado cuántico con los conocimientos de fotónica de AWS para hacer realidad esta visión”.

• Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
• PlatoData.Network Vertical Generativo Ai. Empodérate. Accede Aquí.
• PlatoAiStream. Inteligencia Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
• PlatoESG. Carbón, tecnología limpia, Energía, Ambiente, Solar, Gestión de residuos. Accede Aquí.
• PlatoSalud. Inteligencia en Biotecnología y Ensayos Clínicos. Accede Aquí.
• Fuente: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/