Diamant synthétique : comment l’innovation des matériaux réécrit les règles des réseaux quantiques – Physics World

Alors que les réseaux à fibre optique d'aujourd'hui distribuent l'information classique à des échelles mondiales, les réseaux quantiques d'un avenir pas si lointain exploiteront les propriétés exotiques de l'intrication et de la superposition pour transmettre en toute sécurité des informations quantiques entre utilisateurs finaux à la même échelle mondiale. Cette capacité permettra des communications chiffrées quantiques pour toutes sortes d'organisations – des gouvernements et des banques aux prestataires de soins de santé et à l'armée – et ouvrira inévitablement la voie à la mise en œuvre de ressources informatiques quantiques parallèles à grande échelle, avec des nœuds informatiques distants liés aux systèmes quantiques. mécaniquement à travers le réseau.

Bien qu'encore en développement, les répéteurs quantiques représentent une technologie de base à l'heure où l'Internet quantique apparaît, remplissant une fonction similaire à celle des amplificateurs à fibre dans les réseaux optiques classiques en corrigeant la perte et l'infidélité qui se produisent lorsque l'information quantique se propage sur de longues distances (bien que sans perturbant l’état quantique de la lumière lorsqu’elle traverse le réseau).

Les répéteurs quantiques fonctionnent en transférant les informations codées sur des photons sur un qubit de mémoire stationnaire où les informations peuvent être stockées et corrigées. Les qubits défectueux, tels que les centres de couleur dans le diamant synthétique, s'avèrent être des candidats crédibles pour cette tâche car ils ont une interface efficace avec la lumière (la source de leur couleur) et parce que ces défauts peuvent avoir une mémoire de « spin » de longue durée. Deux classes de qubits à défauts de diamant font l'objet d'un intense intérêt en R&D à cet égard : le centre de spin à lacunes d'azote (NV) et le centre de spin à lacunes de silicium (SiV), tous deux formés en supprimant deux atomes de carbone adjacents de un réseau cristallin de diamant synthétique et en les remplaçant respectivement par un seul atome d'azote ou de silicium.

Ici Bart Machielse, chercheur scientifique principal en quantique au Centre AWS pour la mise en réseau quantique, raconte Monde de la physique comment son équipe accède aux capacités de pointe en matière de science des matériaux et de fabrication de son partenaire de recherche Élément six pour réaliser un « avantage quantique » dans les systèmes de communications optiques utilisant du diamant synthétique.

Quel est l'objectif principal du programme de réseautage quantique AWS ?

L'AWS Center for Quantum Networking est situé à Boston, dans le Massachusetts, et dispose de tous les outils nécessaires pour soutenir une initiative indépendante de R&D dans le domaine des communications quantiques. À ce titre, nous fabriquons, testons, caractérisons et optimisons nos propres dispositifs pour les tests de validation de principe dans les expériences de réseaux quantiques longue distance. Dans mon rôle, je dirige l'équipe des dispositifs et du packaging avec pour mission de piloter la mise à l'échelle et l'intégration de la photonique quantique (y compris la photonique du diamant synthétique) dans des démonstrateurs de recherche de haut niveau de technologies de réseaux quantiques de niveau déploiement.

Vraisemblablement, la collaboration est une évidence dans un domaine aussi compétitif ?

Il est obligatoire. Nous comptons sur des partenaires R&D qui peuvent apporter des capacités techniques uniques, une connaissance approfondie du domaine et un savoir-faire spécialisé. Notre collaboration avec Element Six, par exemple, vise à réimaginer et à transformer le diamant synthétique en une plate-forme matérielle pour les dispositifs photoniques destinés à des applications dans les mémoires quantiques et les répéteurs quantiques. En bref, cela signifie passer de là où nous en sommes actuellement – ​​un substrat avec lequel il est difficile de travailler en matière de fabrication nanophotonique – vers un matériau compatible avec une fabrication de type semi-conducteur évolutive, reproductible et rentable.

Comment se déroule opérationnellement la collaboration avec Element Six ?

Travailler avec Element Six est une véritable collaboration R&D. Pour commencer, il existe une intégration étroite entre les experts en matériaux d'Element Six et l'équipe de photonique quantique d'AWS. La conversation collective est la clé d’une traduction réussie du savoir-faire de base en matière de matériaux chez Element Six en performances améliorées au niveau des appareils.

À cet égard, tout dépend du pipeline : notre travail chez AWS consiste à prendre les substrats de diamant produits par Element Six et à appliquer nos outils spécialisés en optique, fabrication, micro-ondes et cryogéniques pour mieux comprendre les performances quantiques de ce matériau lorsqu'il est transformé en photonique. dispositifs - en particulier, comment l'émission optique correspond aux propriétés fondamentales des matériaux telles que la densité de dislocation, la déformation, la douceur de la surface, etc.

Quels sont les principaux défis de fabrication et d’ingénierie lorsqu’il s’agit de déployer du diamant synthétique dans des systèmes de réseaux quantiques ?

À l’heure actuelle, une grande partie de ce que nous faisons dans le domaine de la photonique des diamants synthétiques est hautement probabiliste – par exemple, en termes de pureté des échantillons, de formation de défauts, d’emplacement exact de ces défauts et de propriétés cristallines à l’échelle macro du matériau du substrat. En bref, beaucoup de compréhension est nécessaire pour lier les propriétés requises pour l'application aux spécifications du matériau afin qu'elle puisse être pleinement mise à l'échelle. En collaboration avec Element Six, AWS cherche à comprendre quels sont les facteurs qui rendent les diamants synthétiques de qualité quantique ; quelles sont également les limites lorsqu'il s'agit de réduire le coût/la complexité du traitement des matériaux afin que vous obteniez ce dont vous avez besoin, et non ce dont vous n'avez pas besoin.

Une chose est sûre : l'engagement d'Element Six en faveur d'un investissement continu dans les techniques de croissance de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) sera essentiel à la conception, au développement et à la fabrication à grande échelle de dispositifs en diamant pour les applications de réseaux quantiques. Les priorités sont déjà claires : améliorer le contrôle des types de défauts créés et du matériau incorporé lors de la croissance du diamant synthétique ; élargir les différentes morphologies de diamants pouvant être produits à grande échelle ; tout en réduisant simultanément le coût de fabrication.

Autrement dit : l’innovation en matière de matériaux n’est rien sans contrôle ?

C'est correct. La tâche à venir consiste à éliminer toutes les variabilités du processus de fabrication du diamant synthétique afin que nous puissions optimiser la conception, l’intégration et les performances des dispositifs et sous-systèmes photoniques quantiques dans le réseau. Encore plus fondamental : lorsque nous fabriquons aujourd’hui un dispositif photonique à diamant synthétique, nous utilisons les quelques microns supérieurs d’un diamant de 0.5 mm d’épaisseur, nous devons donc trouver des moyens d’être beaucoup plus efficaces. Pensez à la fabricabilité, pensez à la réduction des coûts et, en fin de compte, à des substrats en diamant synthétique plus « fabables », c'est-à-dire compatibles avec les techniques standard de fabrication de semi-conducteurs.

À quoi ressemble la feuille de route technologique AWS dans le domaine des réseaux quantiques ?

À terme, il devrait être possible de déployer en volume des dispositifs photoniques au diamant contenant des mémoires quantiques qui servent de répéteurs quantiques – des éléments essentiels de ce que nous appelons des « réseaux de distribution d'intrication ». À court terme, la priorité de R&D est de travailler avec des sociétés comme Element Six pour fournir des substrats de diamant synthétique de qualité quantique qui rendront l'ingénierie et l'intégration des systèmes au niveau des appareils plus fiables, évolutives et prêtes pour le réseau. Nous espérons que les progrès dans la fabrication des diamants synthétiques donneront lieu, le plus tôt possible, à des innovations technologiques en aval qui feront des systèmes de communication quantique AWS un outil incontournable dans l'arsenal de sécurité réseau et de confidentialité de nos entreprises clientes.

La recherche d’un « changement de donne » quantique

Le diamant synthétique de qualité quantique est en cours d’élaboration pour une toute nouvelle gamme d’applications photoniques dans les domaines de l’informatique quantique, de la métrologie quantique et des réseaux quantiques – dont beaucoup n’ont pas d’analogue dans les matériaux existants. La communauté universitaire, pour sa part, s'efforce de repousser les limites de ce qui peut être fait avec ce matériau, conduisant à des changements de paradigme en matière de performances quantiques, tandis que l'industrie s'efforce de prendre l'état de l'art actuel et de comprendre comment Il est préférable d’emballer et d’intégrer le diamant synthétique dans des dispositifs quantiques de nouvelle génération.

Avec la traduction du laboratoire de recherche vers le marché désormais au premier plan, les mesures de succès des dispositifs à diamant quantique sont de plus en plus définies selon des critères tels que la fiabilité, la robustesse, la fabricabilité, l'évolutivité et le rapport coût/performance. Ce changement d'état d'esprit et de priorité éclaire le travail de l'équipe de développement quantique d'Element Six, qui applique sa technologie brevetée et son savoir-faire dans la fabrication PECVD pour produire, à grande échelle, des qualités quantiques de diamant monocristallin contenant des niveaux contrôlés de NV et Centres de spin SiV pour les applications dans les systèmes de réseaux quantiques et au-delà.

« Le diamant synthétique peut offrir des solutions révolutionnaires et permettre à nos clients et partenaires de faire quelque chose qui n'aurait pas pu être fait auparavant – de la construction d'un laser avec des densités de puissance sans précédent à un « dôme acoustique » en diamant synthétique avec des caractéristiques de fréquence exceptionnellement élevées », explique Daniel Twitchen, technologue en chef chez Element Six.

« Bart Machielse et son équipe chez AWS en sont un bon exemple », ajoute-t-il. « Ils sont venus vers nous parce qu’au fil des années, nous avons développé une vaste boîte à outils de capacités d’innovation en matière de diamants synthétiques. Notre savoir-faire accumulé correspond aux défis techniques qui doivent être résolus pour réaliser une plate-forme de réseautage quantique de diamants, et nous avons également démontré notre capacité à faire évoluer le diamant synthétique dans un environnement de production.

Dans le même temps, Element Six se rend compte que les nouveaux marchés en croissance pour le diamant synthétique nécessiteront des solutions facilitant l’utilisation du matériau – au sein de la chaîne d’approvisionnement quantique émergente et ailleurs. "En fin de compte, le besoin et l'opportunité ne résident pas seulement dans la fabrication de diamants synthétiques de qualité quantique, mais également dans leur traitement et leur intégration dans des dispositifs photoniques", note Twitchen. « Et, ce faisant, réduire les obstacles à l’adoption du diamant synthétique. »

À l'heure actuelle, l'objectif de Twitchen et de ses collègues d'Element Six est de développer les partenariats industriels de l'entreprise dans le domaine des réseaux quantiques, après avoir déjà établi le potentiel du diamant synthétique dans le cadre de collaborations universitaires avec des groupes de réseaux quantiques de premier plan à Vous delft aux Pays-Bas ainsi que MIT et de Université de Harvard aux Etats-Unis.

« Ce qui manque jusqu'à présent », conclut Twitchen, « c'est qu'un acteur majeur du secteur affirme pouvoir déployer des systèmes de communications quantiques en introduisant une nouvelle génération de services réseau sécurisés quantiquement pour ses clients. Ils ne sont pas beaucoup plus gros qu'AWS, c'est donc passionnant de mettre en commun notre expertise en diamant de qualité quantique avec le savoir-faire d'AWS en photonique pour faire de cette vision une réalité.

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