Synteettinen timantti: kuinka materiaaliinnovaatiot kirjoittavat kvanttiverkottumisen säännöt uudelleen – Physics World

Vaikka nykypäivän kuituoptiset verkot jakavat klassista tietoa maailmanlaajuisilla pituuksilla, ei niin kaukaisen huomisen kvanttiverkot hyödyntävät sotkeutumisen ja superposition eksoottisia ominaisuuksia siirtääkseen kvanttitietoa turvallisesti loppukäyttäjien välillä samassa globaalissa mittakaavassa. Tämä ominaisuus mahdollistaa kvanttisalatun viestinnän kaikenlaisille organisaatioille – hallituksista ja pankeista terveydenhuollon tarjoajiin ja armeijaan – ja avaa väistämättä tien laajamittaisten rinnakkaisten kvanttilaskentaresurssien käyttöönotolle, jossa etälaskentasolmut on linkitetty kvanttiverkkoon. mekaanisesti verkon yli.

Vaikka kvanttitoistimet ovat vielä kehitteillä, ne edustavat keskeistä mahdollistavaa teknologiaa, kun kvantti-internet tulee näkyviin, ja niillä on samanlainen tehtävä kuin kuituvahvistimet klassisissa optisissa verkoissa korjaamalla häviöt ja epäuskot, joita esiintyy kvanttitiedon leviäessä pitkiä matkoja (tosin ilman häiritsee valon kvanttitilaa sen kulkiessa verkon läpi).

Kvanttitoistimet toimivat siirtämällä fotoniin koodattua tietoa kiinteään muistikubittiin, jossa tiedot voidaan tallentaa ja korjata. Vikakubitit, kuten synteettisen timantin värikeskukset, ovat muodostumassa uskottaviksi ehdokkaiksi tähän tehtävään, koska niillä on tehokas rajapinta valoon (värin lähteeseen) ja koska näillä vioilla voi olla pitkäikäinen "pyörimismuisti". Kaksi timanttivika-kubittien luokkaa ovat intensiivisen T&K-kiinnostuksen kohteena tässä suhteessa: typpivakanssispin keskus (NV) ja piivakanssin spinkeskus (SiV), jotka molemmat muodostuvat poistamalla kaksi vierekkäistä hiiliatomia synteettinen timanttikidehila ja korvaa ne yhdellä typpi- tai piiatomilla, vastaavasti.

Täällä Bart Machielse, vanhempi kvanttitutkija AWS Center for Quantum Networking, kertoo Fysiikan maailma kuinka hänen tiiminsä pääsee käsiksi tutkimuskumppanin huippuluokan materiaalitieteen ja valmistusvalmiuksiin Kuusi osa toteuttaa "kvanttietu" synteettistä timanttia käyttävissä optisissa viestintäjärjestelmissä.

Mikä on AWS-kvanttiverkko-ohjelman päätavoite?

AWS Center for Quantum Networking sijaitsee Bostonissa, Massachusettsissa, ja sillä on kaikki tarvittavat työkalut riippumattoman kvanttiviestinnän T&K-aloitteen tukemiseen. Sellaisenaan valmistamme, testaamme, karakterisoimme ja optimoimme omia laitteitamme konseptin todisteiden testaamiseen pitkän matkan kvanttiverkkokokeiluissa. Roolissani johdan laitteita ja pakkaustiimiä, joiden tehtävänä on ajaa kvanttifotoniikan (mukaan lukien synteettinen timanttifotoniikka) laajenemista ja integrointia käyttöönottotason kvanttiverkkoteknologioiden korkealaatuisiin tutkimusdemonstrointeihin.

Oletettavasti yhteistyö on itsestäänselvyys näin kilpailun alalla?

Se on pakollista. Luotamme T&K-kumppaneihin, jotka voivat tuoda pöytään ainutlaatuiset tekniset valmiudet, syvällinen aluetuntemus ja erikoisosaamisen. Yhteistyössämme esimerkiksi Element Sixin kanssa on kyse synteettisen timantin uudelleenkuvittelemisesta ja muuntamisesta materiaalialustaksi fotonilaitteille, jotka on tarkoitettu käytettäviksi kvanttimuisteissa ja kvanttitoistimissa. Lyhyesti sanottuna se tarkoittaa siirtymistä nykyisestä – substraatista, jonka kanssa nanofotonisessa valmistuksessa on vaikea työskennellä – materiaaliksi, joka on yhteensopiva skaalautuvan, toistettavan ja kustannustehokkaan puolijohdetyylisen valmistuksen kanssa.

Miten yhteistyö Element Sixin kanssa toimii toiminnallisesti?

Työskentely Element Sixin kanssa on todellista T&K-yhteistyötä. Ensinnäkin Element Sixin materiaaliasiantuntijoiden ja AWS:n kvanttifotoniikkatiimin välillä on tiivis integraatio. Yhteinen keskustelu on avainasemassa Element Sixin perusmateriaaliosaamisen onnistuneessa kääntämisessä parannelluksi laitetason suorituskyvyksi.

Tässä on kyse putkilinjasta: tehtävämme AWS:llä on ottaa Element Sixin tuottamat timanttisubstraatit ja käyttää erikoistyökalujamme optisten, valmistus-, mikroaaltouuni- ja kryogeenisten työkalujen avulla ymmärtääksemme paremmin materiaalin kvanttitehoa, kun sitä valmistetaan fotoniksi. laitteet – erityisesti miten optinen emissio kartoittaa perusmateriaalien ominaisuuksia, kuten dislokaatiotiheyttä, jännitystä, pinnan sileyttä ja vastaavia.

Mitkä ovat tärkeimmät valmistus- ja suunnitteluhaasteet, kun kyse on synteettisen timantin käyttöönotosta kvanttiverkkojärjestelmissä?

Tällä hetkellä monet synteettisessä timanttifotoniikassa tekemämme asiat ovat erittäin todennäköisiä – esimerkiksi näytteen puhtauden, vikojen muodostumisen, vikojen tarkan sijainnin ja substraattimateriaalin makromittakaavaisten kideominaisuuksien suhteen. Lyhyesti sanottuna tarvitaan paljon ymmärrystä, jotta sovelluksen edellyttämät ominaisuudet voidaan yhdistää materiaalispesifikaatioihin, jotta se voidaan skaalata täysin. Yhteistyössä Element Sixin kanssa AWS pyrkii ymmärtämään, mitkä tekijät tekevät synteettisestä timantista kvanttilaatuisen; myös mitkä ovat rajat materiaalinkäsittelyn kustannusten/monimutkaisuuden alentamisessa, jotta saat sen, mitä tarvitset, ei sitä, mitä et tarvitse.

Yksi asia on varma: Element Sixin sitoutuminen jatkuviin investointeihin plasmalla tehostettujen kemiallisten höyrypinnoitustekniikoiden (PECVD) kasvutekniikoihin on kriittinen kvanttiverkkosovelluksiin käytettävien timanttilaitteiden suunnittelussa, kehittämisessä ja mittakaavassa. Prioriteetit ovat jo selvät: synteettisten timanttien kasvun aikana syntyneiden vikojen ja materiaalien hallinnan parantaminen; laajentamalla timanttien eri morfologioita, joita voidaan tuottaa mittakaavassa; ja samalla alentaa valmistuskustannuksia.

Eli toisin sanoen: materiaaliinnovaatio ei ole mitään ilman valvontaa?

Pitää paikkansa. Jatkossa tehtävänä on poistaa kaikki vaihtelut synteettisten timanttien valmistusprosessista, jotta voimme optimoida verkossa olevien kvanttifotonilaitteiden ja -alijärjestelmien suunnittelun, integroinnin ja suorituskyvyn. Vielä perustavanlaatuisempi: kun valmistamme synteettistä timanttifotonilaitetta tänään, käytämme 0.5 mm paksuisen timantin muutamaa ylintä mikronia, joten meidän on löydettävä tapoja olla paljon tehokkaampia. Ajattele valmistettavuutta, kustannusten alentamista ja viime kädessä synteettisiä timanttisubstraatteja, jotka ovat "muudellisempia" eli yhteensopivia tavallisten puolijohteiden valmistustekniikoiden kanssa.

Miltä AWS-teknologian tiekartta näyttää kvanttiverkotuksessa?

Ajan mittaan pitäisi olla mahdollista ottaa käyttöön tilavuudeltaan timanttifotonilaitteita, jotka sisältävät kvanttimuisteja, jotka toimivat kvanttitoistimina – olennaisia ​​rakennuspalikoita sille, mitä kutsumme "kietoutuvaksi jakeluverkoiksi". Lähitulevaisuudessa T&K-toiminnan painopiste on työskennellä Element Sixin kaltaisten yritysten kanssa kvanttitason synteettisten timanttialustojen toimittamiseksi, jotka tekevät laitetason suunnittelusta ja järjestelmäintegraatiosta luotettavampaa, skaalautuvampaa ja verkkovalmiutta. Toivomme, että synteettisten timanttien valmistuksen edistyminen tuottaa ennemmin tai myöhemmin loppupään teknologisia innovaatioita, jotka tekevät AWS-kvanttiviestintäjärjestelmistä välttämättömän työkalun yritysasiakkaidemme verkkoturva- ja yksityisyysarsenaalissa.

Kvanttisen "pelin muuttajan" etsintä

Kvanttilaatuista synteettistä timanttia tarjotaan täysin uudelle sarjalle kvanttilaskennan, kvanttimetrologian ja kvanttiverkottamisen fotonisovelluksiin – joista monilla ei ole analogeja olemassa olevissa materiaaleissa. Akateeminen yhteisö puolestaan ​​on keskittynyt työntämään rajoja, mitä tällä materiaalilla voidaan tehdä, mikä johtaa paradigman muutoksiin kvanttisuorituksissa, kun taas teollisuudessa on kyse nykyisen tekniikan omaksumisesta ja sen selvittämisestä, miten parasta pakata ja integroida suunniteltu synteettinen timantti seuraavan sukupolven kvanttilaitteisiin.

Tutkimuslaboratoriosta markkinoille siirtymisen myötä kvantitimanttilaitteiden menestys mitataan yhä useammin koordinaattien mukaan, kuten luotettavuus, kestävyys, valmistettavuus, skaalautuvuus ja kustannus/tehosuhde. Tämä ajattelutavan ja tärkeysjärjestyksen muutos kertoo Element Sixin kvanttikehitystiimin työstä, joka käyttää patentoitua teknologiaansa ja taitotietoaan PECVD-valmistuksessa tuottaakseen mittakaavassa kvanttilaatuisia yksikiteisiä timantteja, jotka sisältävät kontrolloituja NV- ja SiV-spinkeskukset sovelluksiin kvanttiverkkojärjestelmissä ja sen ulkopuolella.

"Synteettinen timantti voi tarjota pelin mullistavia ratkaisuja ja antaa asiakkaillemme ja kumppaneillemme mahdollisuuden tehdä jotain, mitä ei ole voitu tehdä ennen – ennennäkemättömän tehotiheyden omaavan laserin rakentamisesta synteettisen timantin "akustiseen kupuun", jolla on poikkeuksellisen korkeat taajuusominaisuudet", selittää. Daniel Twitchen, Element Sixin pääteknologi.

"Bart Machielse ja hänen tiiminsä AWS:ssä ovat esimerkki", hän lisää. ”He tulivat meille, koska olemme vuosien varrella kehittäneet suuren työkalupakin synteettisten timanttien innovaatiokykyjä. Kertynyt osaamisemme vastaa teknisiä haasteita, jotka on ratkaistava timanttikvanttiverkkoalustan toteuttamiseksi, ja olemme osoittaneet kykymme skaalata synteettistä timanttia tuotantoympäristöön.

Samalla Element Six ymmärtää, että synteettisen timantin uudet kasvumarkkinat vaativat ratkaisuja, jotka helpottavat materiaalin käyttöä – kehittyvässä kvanttitoimitusketjussa ja muualla. "Loppujen lopuksi tarve ja mahdollisuus ei piile vain kvanttiluokan synteettisen timantin valmistamisessa, vaan sen prosessoinnissa ja integroimisessa fotonisiin laitteisiin", Twitchen toteaa. "Ja näin tehden vähentää esteitä synteettisen timantin käyttöönotolle."

Tällä hetkellä Twitchenin ja hänen Element Sixin kollegoidensa painopiste on skaalata yrityksen teollisia kumppanuuksia kvanttiverkostoitumisen alalla, sillä synteettisen timantin potentiaali on jo vakiinnuttanut akateemisessa yhteistyössä johtavien kvanttiverkostoitumisryhmien kanssa Sinä syöksyt myös Hollannissa MIT ja Harvardin yliopisto Yhdysvalloissa.

"Tähän mennessä puuttuu", Twitchen päättää, "on suuri alan toimija, joka sanoo voivansa ottaa käyttöön kvanttiviestintäjärjestelmät ottamalla käyttöön uuden sukupolven kvanttiturvallisia verkkopalveluita asiakkailleen. Ne eivät ole paljon suurempia kuin AWS, joten on jännittävää yhdistää kvanttilaatuisen timantin asiantuntemuksemme AWS:n fotoniikkaosaamisen kanssa, jotta tämä visio toteutuu.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/