Szintetikus gyémánt: hogyan írja át az anyaginnováció a kvantumhálózatok szabályait – Physics World

Míg a mai üvegszálas hálózatok a klasszikus információkat globális hosszskálákon osztják el, a nem is olyan távoli holnap kvantumhálózatai az összefonódás és a szuperpozíció egzotikus tulajdonságait fogják kihasználni a kvantuminformációk biztonságos továbbítására a végfelhasználók között azonos globális szinten. Ez a képesség lehetővé teszi a kvantumtitkosított kommunikációt mindenféle szervezet számára – a kormányoktól és bankoktól az egészségügyi szolgáltatókig és a katonaságig –, és elkerülhetetlenül utat nyit a nagyszabású párhuzamos kvantumszámítási erőforrások megvalósítása felé, a távoli számítástechnikai csomópontok kvantumokhoz kapcsolva. mechanikusan a hálózaton keresztül.

Bár még fejlesztés alatt állnak, a kvantum-ismétlők a kvantuminternet megjelenésével egy alaptechnológiát képviselnek, és hasonló funkciót töltenek be, mint a klasszikus optikai hálózatok üvegszálas erősítői azáltal, hogy korrigálják azokat a veszteségeket és hibásságokat, amelyek a kvantuminformáció nagy távolságokra terjedése során jelentkeznek (bár anélkül). megzavarja a fény kvantumállapotát, miközben áthalad a hálózaton).

A kvantumismétlők úgy működnek, hogy a fotonokon kódolt információkat egy stacionárius memória qubitre továbbítják, ahol az információ tárolható és javítható. A hibás qubitek, mint például a szintetikus gyémánt színközpontjai, hiteles jelöltekké formálódnak erre a feladatra, mivel hatékony interfésszel rendelkeznek a fénnyel (színük forrásával), és mivel ezeknek a hibáknak hosszú életű „pörgő” memóriájuk lehet. A gyémánthibás qubitek két osztálya áll az intenzív K+F érdeklődés középpontjában e tekintetben: a nitrogén-vacance spin center (NV) és a szilícium-vacance spin center (SiV), mindkettő két szomszédos szénatom eltávolításával jön létre. szintetikus gyémánt kristályrácsot, és egyetlen nitrogén- vagy szilíciumatommal helyettesítik őket.

Itt van Bart Machielse, a kvantumkutató vezető tudósa AWS Center for Quantum Networking, mondja Fizika Világa hogyan fér hozzá csapata kutatópartnerének élvonalbeli anyagtudományi és gyártási képességeihez Hat elem a „kvantumelőny” megvalósítása a szintetikus gyémántot használó optikai kommunikációs rendszerekben.

Mi az AWS kvantumhálózati program fő célja?

Az AWS Center for Quantum Networking Bostonban (Massachusetts állam) található, és rendelkezik minden szükséges eszközzel a kvantumkommunikációval kapcsolatos független K+F kezdeményezés támogatásához. Mint ilyen, saját eszközeinket gyártjuk, teszteljük, jellemezzük és optimalizáljuk a hosszú távú kvantumhálózati kísérletek koncepciójának teszteléséhez. Feladatomban én vezetem az eszközöket és a csomagolást végző csapatot azzal a feladattal, hogy a kvantumfotonika (beleértve a szintetikus gyémánt fotonikát is) bővítését és integrálását a telepítési szintű kvantumhálózati technológiák magas szintű kutatási demonstrátoraiba irányítsam.

Feltehetően adott az együttműködés egy ilyen versenytéren?

Ez kötelező. Olyan K+F partnerekre támaszkodunk, akik egyedi műszaki képességeket, mély területi ismereteket és speciális know-how-t tudnak az asztalra tenni. Együttműködésünk az Element Six-szel például a szintetikus gyémánt újragondolásáról és átalakításáról szól, mint a kvantummemóriákban és kvantumismétlőben történő alkalmazásra szánt fotonikus eszközök anyagi platformja. Röviden, ez azt jelenti, hogy a jelenlegi helyzetről – egy olyan szubsztrátumról, amellyel nehéz dolgozni, ha nanofotonikus gyártásról van szó – egy olyan anyag felé haladunk, amely kompatibilis a skálázható, reprodukálható és költséghatékony félvezető stílusú gyártással.

Hogyan működik az Element Six-szel való együttműködés?

Az Element Six-szel való munka igazi K+F együttműködés. Először is, szoros az integráció az Element Six anyagszakértői és az AWS kvantumfotonikai csapata között. A kollektív beszélgetés kulcsfontosságú az Element Six alapanyagokkal kapcsolatos know-how-jának sikeres eszközszintű teljesítményre való átültetéséhez.

E tekintetben minden a csővezetékről szól: az AWS-nél az a feladatunk, hogy az Element Six által gyártott gyémánt szubsztrátumokat vegyük, és speciális optikai, gyártási, mikrohullámú és kriogén eszközeinket alkalmazzuk, hogy jobban megértsük az anyag kvantumteljesítményét, amikor fotonikussá alakítják. eszközök – különösen, hogy az optikai emisszió hogyan viszonyul az alapvető anyagok tulajdonságaihoz, mint például a diszlokációs sűrűség, alakváltozás, felületi simaság és hasonlók.

Melyek a fő gyártási és mérnöki kihívások, amikor a szintetikus gyémánt kvantumhálózati rendszerekben történő alkalmazásáról van szó?

Jelenleg sok minden, amit a szintetikus gyémántfotonikában végzünk, nagy valószínűséggel történik – például a minta tisztasága, a hibák kialakulása, a hibák pontos elhelyezkedése és a hordozóanyag makroméretű kristálytulajdonságai tekintetében. Röviden, sok megértés szükséges ahhoz, hogy az alkalmazáshoz szükséges tulajdonságokat összekapcsolják az anyagspecifikációkkal, hogy az alkalmazás teljes mértékben méretezhető legyen. Az Element Six-szel együttműködve az AWS arra törekszik, hogy megértse, melyek azok a tényezők, amelyek miatt a szintetikus gyémánt kvantumminőségű; azt is, hogy mik a határok az anyagfeldolgozás költségeinek/bonyolultságának csökkentésében, hogy azt kapja meg, amire szüksége van, ne pedig arra, amire nincs szüksége.

Egy dolog biztos: az Element Six elkötelezettsége a plazmával javított kémiai gőzlerakódás (PECVD) növekedési technikákba való folyamatos beruházása iránt kritikus fontosságú lesz a kvantumhálózati alkalmazásokhoz szükséges gyémánteszközök tervezése, fejlesztése és nagyszabású gyártása szempontjából. A prioritások már világosak: a szintetikus gyémánt növesztése során keletkező hibák típusai és a bedolgozott anyagok ellenőrzésének javítása; a nagy mennyiségben előállítható gyémántok különböző morfológiáinak szélesítése; és egyben csökkenti a gyártási költségeket.

Tehát másképpen fogalmazva: az anyaginnováció ellenőrzés nélkül semmi?

Így van. A jövőbeni feladat az, hogy eltávolítsuk a szintetikus gyémántgyártási folyamat összes változatát, hogy optimalizálni tudjuk a kvantumfotonikus eszközök és alrendszerek tervezését, integrációját és teljesítményét a hálózaton kívül. Még ennél is alapvetőbb: amikor ma szintetikus gyémánt fotonikus eszközt gyártunk, egy 0.5 mm vastag gyémánt felső néhány mikronját használjuk, ezért meg kell találnunk a sokkal hatékonyabb módszereket. Gondoljon a gyárthatóságra, a költségcsökkentésre és végső soron a szintetikus gyémánt szubsztrátumokra, amelyek „elképzelhetőbbek” – azaz kompatibilisek a szokásos félvezető-gyártási technikákkal.

Hogyan néz ki az AWS technológiai ütemterve a kvantumhálózatokban?

Idővel lehetővé kell tenni a kvantum-ismétlőként szolgáló kvantummemóriákat tartalmazó gyémánt fotonikus eszközök telepítését, amelyek alapvető építőkövei az úgynevezett „összefonódás-elosztó hálózatoknak”. A közeljövőben a K+F prioritása az olyan vállalatokkal való együttműködés, mint az Element Six, hogy olyan kvantumminőségű szintetikus gyémánt szubsztrátumokat szállítsanak, amelyek megbízhatóbbá, skálázhatóbbá és hálózatra készebbé teszik az eszközszintű tervezést és rendszerintegrációt. Reméljük, hogy a szintetikus gyémántgyártás előrehaladása előbb-utóbb olyan downstream technológiai innovációkat eredményez, amelyek az AWS kvantumkommunikációs rendszereket elengedhetetlen eszközzé teszik vállalati ügyfeleink hálózatbiztonsági és adatvédelmi arzenáljában.

Kvantum „játékváltó” keresése

A kvantumminőségű szintetikus gyémántokat a kvantumszámítástechnika, a kvantummetrológia és a kvantumhálózatok fotonikus alkalmazásainak egy teljesen új skálájához sorolják fel – amelyek közül soknak nincs analógja a meglévő anyagokban. Az akadémiai közösség a maga részéről arra összpontosít, hogy feszegesse a határait, hogy mit lehet tenni ezzel az anyaggal, ami paradigmaváltásokhoz vezet a kvantumteljesítményben, míg az ipar célja, hogy átvegye a jelenlegi csúcstechnológiát és kitalálja, hogyan A legjobb a mesterséges szintetikus gyémánt csomagolása és integrálása a következő generációs kvantumeszközökbe.

A kutatólaboratóriumból a piacra történő fordítással a kvantumgyémánt eszközök sikerének mérőszámait egyre inkább olyan koordináták mentén határozzák meg, mint a megbízhatóság, a robusztusság, a gyárthatóság, a méretezhetőség és a költség/teljesítmény arány. Ez a gondolkodásmódbeli és prioritásváltás az Element Six kvantumfejlesztő csapatának munkáját segíti elő, amely szabadalmaztatott technológiáját és know-how-ját a PECVD-gyártásban alkalmazza, hogy szabályozott szintű NV-t és NV-t tartalmazó, kvantumminőségű egykristályos gyémántokat állítson elő. SiV spin központok kvantumhálózati rendszerekben és azon túli alkalmazásokhoz.

„A szintetikus gyémánt játékot megváltoztató megoldásokat kínálhat, és lehetővé teszi ügyfeleinknek és partnereinknek, hogy olyasmit tegyenek, amit korábban nem tudtak megtenni – a példátlan teljesítménysűrűségű lézer építésétől a szintetikus gyémánt „akusztikus dómig”, amely kivételesen magas frekvenciájú jellemzőkkel rendelkezik” – magyarázza. Daniel Twitchen, az Element Six vezető technológusa.

„Bart Machielse és csapata az AWS-nél jó példa erre” – teszi hozzá. „Azért jöttek hozzánk, mert az évek során a szintetikus gyémánt innovációs képességeinek hatalmas eszköztárát fejlesztettük ki. Felhalmozott know-how-nk illeszkedik azokhoz a technikai kihívásokhoz, amelyeket meg kell oldani egy gyémánt kvantumhálózati platform megvalósításához, valamint bebizonyítottuk, hogy képesek vagyunk a szintetikus gyémánt gyártási környezetbe skálázására.”

Ugyanakkor az Element Six felismeri, hogy a szintetikus gyémánt új, növekvő piacai olyan megoldásokat igényelnek, amelyek megkönnyítik az anyag felhasználását – a feltörekvő kvantumellátási láncon belül és máshol. „Végső soron az igény és a lehetőség nem csupán a kvantumminőségű szintetikus gyémánt előállításában rejlik, hanem a feldolgozásban és a fotonikus eszközökbe való integrálásában” – jegyzi meg Twitchen. "És ezzel csökkentve a szintetikus gyémánt elfogadásának akadályait."

Jelenleg Twitchen és Element Six kollégái a vállalat ipari partnerségeinek bővítésére helyezik a hangsúlyt a kvantumhálózatok területén, miután már megalapozták a szintetikus gyémántban rejlő lehetőségeket a vezető kvantumhálózati csoportokkal folytatott tudományos együttműködések során. Te lopás Hollandiában is MIT és a Harvard Egyetem az USA-ban.

„Ami a mai napig hiányzott – fejezi be a Twitchen –, az egy nagy iparági szereplő, aki azt állítja, hogy kvantumkommunikációs rendszereket tud kiépíteni azáltal, hogy a kvantumbiztonságos hálózati szolgáltatások új generációját vezeti be ügyfelei számára. Nem sokkal nagyobbak, mint az AWS, ezért izgalmas, hogy egyesítjük a kvantumminőségű gyémántokkal kapcsolatos szakértelmünket és az AWS fotonikai know-how-ját, hogy ezt az elképzelést valóra váltsuk.”

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/