الماس مصنوعی: چگونه نوآوری مواد قوانین شبکه کوانتومی را بازنویسی می کند - دنیای فیزیک

در حالی که شبکه‌های فیبر نوری امروزی اطلاعات کلاسیک را در مقیاس‌های طول جهانی توزیع می‌کنند، شبکه‌های کوانتومی فردای نه چندان دور از ویژگی‌های عجیب درهم‌تنیدگی و برهم‌نهی برای انتقال امن اطلاعات کوانتومی بین کاربران نهایی در همان مقیاس جهانی بهره‌برداری می‌کنند. این قابلیت ارتباطات رمزگذاری شده کوانتومی را برای همه سازمان‌ها - از دولت‌ها و بانک‌ها گرفته تا ارائه‌دهندگان مراقبت‌های بهداشتی و ارتش - امکان‌پذیر می‌کند و راه را برای پیاده‌سازی منابع محاسباتی موازی کوانتومی در مقیاس با گره‌های محاسباتی از راه دور که به‌صورت کوانتومی مرتبط هستند، باز می‌کند. به صورت مکانیکی در سراسر شبکه

اگرچه هنوز در حال توسعه است، تکرارکننده‌های کوانتومی نشان‌دهنده یک فناوری هسته‌ای هستند که با ظهور اینترنت کوانتومی، عملکردی مشابه تقویت‌کننده‌های فیبر در شبکه‌های نوری کلاسیک را با تصحیح از دست دادن و خیانت‌هایی که هنگام انتشار اطلاعات کوانتومی در فواصل طولانی رخ می‌دهند، انجام می‌دهند. اختلال در حالت کوانتومی نور هنگام عبور از شبکه).

تکرارکننده های کوانتومی با انتقال اطلاعات کدگذاری شده روی فوتون ها به یک کیوبیت حافظه ثابت که در آن اطلاعات می تواند ذخیره و تصحیح شود، عمل می کنند. کیوبیت‌های معیوب، مانند مراکز رنگ در الماس مصنوعی، به عنوان نامزدهای معتبری برای این کار در حال شکل‌گیری هستند، زیرا رابط مؤثری با نور (منبع رنگ خود) دارند و به این دلیل که این نقص‌ها می‌توانند یک حافظه «چرخشی» طولانی مدت داشته باشند. دو دسته از کیوبیت‌های معیوب الماس در این زمینه کانون توجه شدید تحقیق و توسعه هستند: مرکز اسپین جای خالی نیتروژن (NV) و مرکز چرخش خالی سیلیکون (SiV) که هر دو با حذف دو اتم کربن مجاور از آن تشکیل می‌شوند. یک شبکه کریستال الماس مصنوعی و جایگزینی آنها به ترتیب با یک اتم نیتروژن یا سیلیکون.

در اینجا بارت ماکیلز، دانشمند ارشد تحقیقات کوانتومی در مرکز AWS برای شبکه های کوانتومی، می گوید دنیای فیزیک چگونه تیم او به علم مواد و قابلیت‌های ساخت پیشرو شریک تحقیقاتی دسترسی پیدا می‌کند عنصر شش برای تحقق "مزیت کوانتومی" در سیستم های ارتباطات نوری با استفاده از الماس مصنوعی.

هدف اصلی برنامه شبکه کوانتومی AWS چیست؟

مرکز AWS برای شبکه‌های کوانتومی در بوستون، ماساچوست واقع شده است و تمام ابزارهای مورد نیاز برای حمایت از یک ابتکار تحقیق و توسعه مستقل در ارتباطات کوانتومی را دارد. به این ترتیب، ما دستگاه‌های خود را برای آزمایش اثبات مفهوم در آزمایش‌های شبکه‌های کوانتومی از راه دور ساخته، آزمایش، مشخصه‌سازی و بهینه‌سازی می‌کنیم. من در نقش خود، دستگاه‌ها و تیم بسته‌بندی را رهبری می‌کنم که وظیفه ارتقاء و ادغام فوتونیک کوانتومی (از جمله فوتونیک الماس مصنوعی) را در نمایش‌دهنده‌های تحقیقاتی درجه بالا فناوری‌های شبکه‌های کوانتومی درجه استقرار دارند.

احتمالاً، همکاری در چنین زمینه رقابتی داده شده است؟

اجباری است. ما به شرکای تحقیق و توسعه متکی هستیم که می توانند قابلیت های فنی منحصر به فرد، دانش عمیق حوزه و دانش تخصصی را به میز ارائه دهند. به عنوان مثال، همکاری ما با عنصر شش، همه چیز در مورد بازسازی و تبدیل الماس مصنوعی به عنوان یک پلت فرم مواد برای دستگاه های فوتونیک است که برای کاربرد در حافظه های کوانتومی و تکرار کننده های کوانتومی است. به طور خلاصه، این بدان معناست که از جایی که اکنون هستیم - زیرلایه‌ای که هنگام ساخت نانوفتونیک کار با آن دشوار است - به ماده‌ای که با تولید سبک نیمه‌رسانا مقیاس‌پذیر، قابل تکرار و مقرون‌به‌صرفه سازگار است، پیشرفت کنیم.

همکاری با عنصر شش از نظر عملیاتی چگونه است؟

کار با عنصر شش یک همکاری تحقیق و توسعه واقعی است. برای شروع، ادغام شدیدی بین متخصصان مواد در عنصر شش و تیم فوتونیک کوانتومی اینجا در AWS وجود دارد. گفتگوی جمعی کلید ترجمه موفقیت آمیز دانش مواد اولیه در عنصر شش به عملکرد پیشرفته در سطح دستگاه است.

همه چیز در مورد خط لوله در این زمینه است: وظیفه ما در AWS این است که زیرلایه های الماسی را که عنصر شش تولید می کند، برداریم و از ابزارهای تخصصی نوری، ساخت، مایکروویو و برودتی ما برای درک بهتر عملکرد کوانتومی آن ماده در هنگام ساخت فوتونیک استفاده کنیم. دستگاه‌ها – به‌ویژه نحوه نقشه‌های انتشار نوری در مقابل خواص مواد اساسی مانند چگالی جابجایی، کرنش، صافی سطح و موارد مشابه.

چالش های اصلی تولید و مهندسی در مورد استقرار الماس مصنوعی در سیستم های شبکه کوانتومی چیست؟

در حال حاضر، بسیاری از کارهایی که ما در فوتونیک الماس مصنوعی انجام می‌دهیم، بسیار محتمل هستند - به عنوان مثال، از نظر خلوص نمونه، شکل‌گیری عیوب، محل دقیق آن عیوب و خواص کریستالی در مقیاس ماکرو ماده زیرلایه. به طور خلاصه، درک زیادی لازم است تا خصوصیات مورد نیاز برای برنامه کاربردی را به مشخصات مواد مرتبط کنیم تا بتوان آن را به طور کامل مقیاس‌بندی کرد. در همکاری با عنصر شش، AWS به دنبال درک عواملی است که الماس مصنوعی را درجه کوانتومی می‌سازد. همچنین محدودیت‌ها برای کاهش هزینه/پیچیدگی فرآوری مواد به طوری که شما به آنچه نیاز دارید، نه آنچه که نیاز ندارید، برسید.

یک چیز مسلم است: تعهد عنصر شش به سرمایه‌گذاری مداوم در روش‌های رشد رسوب بخار شیمیایی با پلاسما (PECVD) برای طراحی، توسعه و ساخت در مقیاس دستگاه‌های الماس برای کاربردهای شبکه‌های کوانتومی حیاتی خواهد بود. اولویت ها از قبل مشخص شده اند: بهبود کنترل بر انواع عیوب ایجاد شده و مواد به کار رفته در طول رشد الماس مصنوعی. گسترش مورفولوژی های مختلف الماس که می تواند در مقیاس تولید شود. و به طور همزمان هزینه ساخت را کاهش می دهد.

بنابراین به عبارت دیگر: نوآوری در مواد بدون کنترل چیزی نیست؟

این درست است. وظیفه پیش رو حذف همه تغییرات از فرآیند ساخت الماس مصنوعی است تا بتوانیم طراحی، ادغام و عملکرد دستگاه‌ها و زیرسیستم‌های فوتونیک کوانتومی را در شبکه بهینه کنیم. حتی اساسی‌تر: وقتی امروز یک دستگاه فوتونیک الماس مصنوعی می‌سازیم، از چند میکرون بالای یک الماس با ضخامت 0.5 میلی‌متر استفاده می‌کنیم، بنابراین باید راه‌هایی برای کارآمدتر بودن پیدا کنیم. قابلیت ساخت را در نظر بگیرید، به کاهش هزینه فکر کنید و در نهایت، زیرلایه های الماس مصنوعی را در نظر بگیرید که بیشتر "افسانه ای" هستند - یعنی با تکنیک های استاندارد ساخت نیمه هادی سازگار هستند.

نقشه راه فناوری AWS در شبکه های کوانتومی چگونه است؟

به مرور زمان، می‌توان دستگاه‌های فوتونیک الماسی حاوی حافظه‌های کوانتومی را که به‌عنوان تکرارکننده‌های کوانتومی عمل می‌کنند، در حجم، مستقر کرد. در کوتاه مدت، اولویت تحقیق و توسعه همکاری با شرکت‌هایی مانند Element Six برای ارائه زیرلایه‌های الماس مصنوعی درجه کوانتومی است که مهندسی سطح دستگاه و یکپارچه‌سازی سیستم‌ها را قابل اعتمادتر، مقیاس‌پذیرتر و آماده شبکه می‌سازد. امید ما این است که پیشرفت‌ها در ساخت الماس مصنوعی، زودتر به زودی، نوآوری‌های فناوری پایین‌دستی را به همراه داشته باشد که سیستم‌های ارتباطی کوانتومی AWS را به ابزاری ضروری در زرادخانه امنیت شبکه و حریم خصوصی مشتریان شرکت‌مان تبدیل کند.

جستجوی یک «تغییرگر بازی» کوانتومی

الماس مصنوعی درجه کوانتومی برای طیف کاملاً جدیدی از کاربردهای فوتونیک در محاسبات کوانتومی، مترولوژی کوانتومی و شبکه‌های کوانتومی - که بسیاری از آنها هیچ مشابهی در مواد موجود ندارند، ردیف می‌شوند. جامعه دانشگاهی، به نوبه خود، بر روی فشار دادن محدودیت‌های کاری که می‌توان با این مواد انجام داد، متمرکز است، که منجر به تغییر پارادایم در عملکرد کوانتومی می‌شود، در حالی که صنعت تماماً به دنبال استفاده از آخرین وضعیت فعلی و کشف چگونگی انجام آن است. بهترین روش بسته بندی و ادغام الماس مصنوعی مهندسی شده در دستگاه های کوانتومی نسل بعدی است.

با ترجمه از آزمایشگاه تحقیقاتی به بازار در حال حاضر، معیارهای موفقیت دستگاه‌های الماس کوانتومی به طور فزاینده‌ای در امتداد مختصاتی مانند قابلیت اطمینان، استحکام، قابلیت ساخت، مقیاس‌پذیری و نسبت هزینه/عملکرد تعریف می‌شوند. این تغییر در طرز فکر و اولویت کار تیم توسعه کوانتومی در عنصر شش را نشان می‌دهد که از فناوری و دانش ثبت شده خود در ساخت PECVD برای تولید در مقیاس کوانتومی الماس تک بلوری حاوی سطوح کنترل‌شده NV و NVD استفاده می‌کند. مراکز اسپین SiV برای کاربردها در سیستم های شبکه کوانتومی و فراتر از آن.

توضیح می‌دهد: «الماس مصنوعی می‌تواند راه‌حل‌های تغییردهنده بازی ارائه دهد و به مشتریان و شرکای ما اجازه دهد تا کاری را انجام دهند که قبلاً نمی‌توانستند انجام دهند - از ساخت یک لیزر با چگالی قدرت بی‌سابقه گرفته تا یک «گنبد صوتی» الماس مصنوعی با ویژگی‌های فرکانس فوق‌العاده بالا». دانیل توئیچن، فن‌شناس ارشد عنصر شش.

او می‌افزاید: «بارت ماکیلز و تیمش در AWS نمونه‌ای هستند. آنها به ما مراجعه کردند زیرا در طول سال ها، ما جعبه ابزار بزرگی از قابلیت های نوآوری الماس مصنوعی را توسعه داده ایم. دانش انباشته شده ما با چالش های فنی که باید برای تحقق یک پلت فرم شبکه کوانتومی الماسی حل شوند، همسو است، به علاوه ما توانایی مقیاس سازی الماس مصنوعی را در محیط تولید نشان داده ایم.

در همان زمان، عنصر شش متوجه می‌شود که بازارهای رشد جدید الماس مصنوعی به راه‌حل‌هایی نیاز دارند که استفاده از مواد را آسان‌تر می‌کنند - در زنجیره تامین کوانتومی در حال ظهور و جاهای دیگر. توییچن خاطرنشان می کند: «در نهایت، نیاز و فرصت فقط در ساخت الماس مصنوعی درجه کوانتومی نیست، بلکه پردازش و ادغام آن در دستگاه های فوتونیک است». و با انجام این کار، موانع پذیرش الماس مصنوعی را کاهش می دهد.

در حال حاضر، تمرکز توییچن و همکارانش در عنصر شش این است که مشارکت‌های صنعتی این شرکت در زمینه شبکه‌های کوانتومی را افزایش دهند، زیرا قبلاً پتانسیل الماس مصنوعی را در همکاری‌های آکادمیک با گروه‌های شبکه‌های کوانتومی پیشرو در TU دلفت در هلند و همچنین MIT و دانشگاه هاروارد در امریکا.

توییچن نتیجه می گیرد: «آنچه تا به امروز گم شده است، یک بازیگر بزرگ صنعت است که می گوید می تواند سیستم های ارتباطی کوانتومی را با معرفی نسل جدیدی از خدمات شبکه ایمن کوانتومی برای مشتریان خود راه اندازی کند. آنها خیلی بزرگتر از AWS نیستند، بنابراین هیجان انگیز است که تخصص خود را در الماس درجه کوانتومی با دانش AWS در فوتونیک ترکیب کنیم تا این دیدگاه را به واقعیت تبدیل کنیم.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/