Berlian sintetis: bagaimana inovasi material menulis ulang aturan jaringan kuantum – Dunia Fisika

Meskipun jaringan serat optik saat ini mendistribusikan informasi klasik dalam skala global, jaringan kuantum di masa depan akan mengeksploitasi sifat eksotik dari keterjeratan dan superposisi untuk mengirimkan informasi kuantum secara aman antar pengguna pada skala global yang sama. Kemampuan ini akan memungkinkan komunikasi terenkripsi kuantum untuk semua jenis organisasi – mulai dari pemerintah dan bank hingga penyedia layanan kesehatan dan militer – dan membuka jalan menuju penerapan sumber daya komputasi kuantum paralel dalam skala besar, dengan node komputasi jarak jauh yang terhubung dengan kuantum. secara mekanis di seluruh jaringan.

Meskipun masih dalam pengembangan, repeater kuantum mewakili teknologi inti yang memungkinkan internet kuantum mulai terlihat, melayani fungsi serupa sebagai penguat serat dalam jaringan optik klasik dengan mengoreksi kehilangan dan ketidaksesuaian yang terjadi ketika informasi kuantum menyebar dalam jarak jauh (meskipun tanpa mengganggu keadaan kuantum cahaya saat melewati jaringan).

Repeater kuantum beroperasi dengan mentransfer informasi yang dikodekan pada foton ke qubit memori stasioner tempat informasi dapat disimpan dan dikoreksi. Qubit yang cacat, seperti pusat warna pada berlian sintetis, menjadi kandidat yang kredibel untuk tugas ini karena mereka memiliki antarmuka yang efektif dengan cahaya (sumber warnanya) dan karena cacat ini dapat memiliki memori “putaran” yang berumur panjang. Dua kelas qubit cacat intan menjadi fokus penelitian dan pengembangan yang intens dalam hal ini: pusat putaran kekosongan nitrogen (NV) dan pusat putaran kekosongan silikon (SiV), keduanya terbentuk dengan menghilangkan dua atom karbon yang berdekatan dari kisi kristal berlian sintetis dan menggantinya dengan satu atom nitrogen atau silikon.

Di sini Bart Machielse, ilmuwan penelitian kuantum senior di Pusat AWS untuk Jaringan Kuantum, mengatakan Dunia Fisika bagaimana timnya mengakses ilmu material dan kemampuan fabrikasi terdepan dari mitra penelitiannya Elemen Enam untuk mewujudkan “keunggulan kuantum” dalam sistem komunikasi optik menggunakan berlian sintetis.

Apa tujuan utama program jaringan kuantum AWS?

AWS Center for Quantum Networking berlokasi di Boston, Massachusetts, dan memiliki semua alat yang diperlukan untuk mendukung inisiatif penelitian dan pengembangan independen dalam komunikasi kuantum. Oleh karena itu, kami membuat, menguji, mengkarakterisasi, dan mengoptimalkan perangkat kami sendiri untuk pengujian pembuktian konsep dalam eksperimen jaringan kuantum jarak jauh. Dalam peran saya, saya memimpin tim perangkat dan pengemasan dengan tugas untuk mendorong peningkatan dan integrasi fotonik kuantum (termasuk fotonik berlian sintetis) dalam penelitian tingkat tinggi yang menunjukkan teknologi jaringan kuantum tingkat penerapan.

Agaknya, kolaborasi adalah hal yang lumrah dalam bidang yang begitu kompetitif?

Itu wajib. Kami mengandalkan mitra penelitian dan pengembangan yang dapat menghadirkan kemampuan teknis unik, pengetahuan domain mendalam, dan pengetahuan khusus. Kolaborasi kami dengan Element Six, misalnya, adalah tentang menata ulang dan mentransformasikan berlian sintetis sebagai platform material untuk perangkat fotonik yang ditujukan untuk aplikasi dalam memori kuantum dan repeater kuantum. Singkatnya, hal ini berarti berkembang dari kondisi kita saat ini – substrat yang sulit digunakan dalam fabrikasi nanofotonik – menjadi material yang kompatibel dengan manufaktur bergaya semikonduktor yang dapat diskalakan, dapat direproduksi, dan hemat biaya.

Bagaimana kerjasama dengan Elemen Enam bekerja secara operasional?

Bekerja dengan Elemen Enam adalah kolaborasi Penelitian dan Pengembangan yang sesungguhnya. Sebagai permulaan, ada integrasi yang erat antara pakar material di Element Six dan tim fotonik kuantum di AWS. Percakapan kolektif adalah kunci keberhasilan penerjemahan pengetahuan materi dasar di Elemen Enam ke dalam peningkatan kinerja tingkat perangkat.

Yang terpenting dalam hal ini adalah alurnya: tugas kami di AWS adalah mengambil substrat berlian yang diproduksi oleh Elemen Enam dan menerapkan alat optik, fabrikasi, gelombang mikro, dan kriogenik khusus kami untuk lebih memahami kinerja kuantum bahan tersebut ketika dibuat menjadi fotonik. perangkat – khususnya, bagaimana peta emisi optik versus sifat material dasar seperti kepadatan dislokasi, regangan, kehalusan permukaan, dan sejenisnya.

Apa tantangan utama manufaktur dan teknik dalam penerapan berlian sintetis dalam sistem jaringan kuantum?

Saat ini, banyak hal yang kami lakukan dalam fotonik berlian sintetik sangat bersifat probabilistik – misalnya, dalam hal kemurnian sampel, pembentukan cacat, lokasi pasti cacat tersebut, dan sifat kristal skala makro dari bahan substrat. Singkatnya, diperlukan banyak pemahaman untuk menghubungkan properti yang diperlukan untuk penerapan dengan spesifikasi material sehingga dapat ditingkatkan skalanya sepenuhnya. Bekerja sama dengan Element Six, AWS berupaya memahami faktor-faktor apa saja yang membuat berlian sintetis berkelas kuantum; juga apa batasannya dalam menurunkan biaya/kompleksitas pemrosesan bahan sehingga Anda mendapatkan apa yang Anda butuhkan, bukan apa yang tidak Anda butuhkan.

Satu hal yang pasti: komitmen Elemen Enam terhadap investasi berkelanjutan dalam teknik pertumbuhan deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD) akan sangat penting dalam desain, pengembangan, dan fabrikasi perangkat berlian dalam skala besar untuk aplikasi jaringan kuantum. Prioritasnya sudah jelas: meningkatkan kontrol terhadap jenis cacat yang terjadi dan bahan yang dimasukkan selama pertumbuhan berlian sintetis; memperluas perbedaan morfologi berlian yang dapat diproduksi dalam skala besar; dan sekaligus mengurangi biaya produksi.

Jadi dengan kata lain: inovasi material tidak ada artinya tanpa kendali?

Itu benar. Tugas ke depannya adalah menghilangkan semua variabilitas dari proses fabrikasi berlian sintetis sehingga kita dapat mengoptimalkan desain, integrasi, dan kinerja perangkat dan subsistem fotonik kuantum di dalam jaringan. Yang lebih mendasar lagi: saat kita membuat perangkat fotonik berlian sintetis saat ini, kita menggunakan beberapa mikron teratas dari berlian setebal 0.5 mm, jadi kita perlu menemukan cara agar lebih efisien. Pikirkan kemampuan manufaktur, pikirkan pengurangan biaya dan, pada akhirnya, substrat berlian sintetis yang lebih “luar biasa” – yaitu kompatibel dengan teknik fabrikasi semikonduktor standar.

Seperti apa peta jalan teknologi AWS dalam jaringan kuantum?

Pada waktunya, perangkat fotonik berlian yang berisi memori kuantum yang berfungsi sebagai repeater kuantum – dalam jumlah besar, akan dapat disebarkan – blok bangunan penting untuk apa yang kami sebut “jaringan distribusi keterjeratan”. Dalam jangka pendek, prioritas penelitian dan pengembangan adalah bekerja sama dengan perusahaan seperti Element Six untuk menghadirkan substrat berlian sintetis tingkat kuantum yang akan menjadikan rekayasa tingkat perangkat dan integrasi sistem lebih andal, terukur, dan siap jaringan. Harapan kami adalah kemajuan dalam fabrikasi berlian sintetis, dalam waktu dekat, akan menghasilkan inovasi teknologi hilir yang menjadikan sistem komunikasi kuantum AWS sebagai alat yang harus dimiliki dalam gudang keamanan jaringan dan privasi pelanggan korporat kami.

Pencarian 'pengubah permainan' kuantum

Berlian sintetis tingkat kuantum sedang disiapkan untuk serangkaian aplikasi fotonik baru dalam komputasi kuantum, metrologi kuantum, dan jaringan kuantum – yang banyak di antaranya tidak memiliki analogi pada material yang sudah ada. Komunitas akademis, pada bagiannya, berfokus untuk mendorong batas-batas apa yang dapat dilakukan dengan materi ini, yang mengarah pada perubahan paradigma dalam kinerja kuantum, sementara industri berupaya memanfaatkan teknologi tercanggih saat ini dan mencari tahu caranya. terbaik untuk mengemas dan mengintegrasikan berlian sintetis yang direkayasa ke dalam perangkat kuantum generasi berikutnya.

Dengan penerjemahan dari laboratorium penelitian ke pasar kini menjadi yang terdepan, ukuran keberhasilan perangkat berlian kuantum semakin ditentukan berdasarkan koordinat seperti keandalan, ketahanan, kemampuan manufaktur, skalabilitas, dan rasio biaya/kinerja. Pergeseran dalam pola pikir dan prioritas ini memberikan masukan bagi pekerjaan tim pengembangan kuantum di Element Six, yang menerapkan teknologi dan pengetahuan yang dipatenkan dalam fabrikasi PECVD untuk menghasilkan, dalam skala besar, berlian kristal tunggal tingkat kuantum yang mengandung tingkat NV dan NV yang terkendali. Pusat putaran SiV untuk aplikasi dalam sistem jaringan kuantum dan seterusnya.

“Berlian sintetis dapat menawarkan solusi yang mengubah permainan dan memungkinkan pelanggan dan mitra kami melakukan sesuatu yang belum pernah dilakukan sebelumnya – mulai dari membuat laser dengan kepadatan daya yang belum pernah terjadi sebelumnya hingga 'kubah akustik' berlian sintetis dengan karakteristik frekuensi yang sangat tinggi,” jelasnya. Daniel Twitchen, kepala teknolog di Element Six.

“Bart Machielse dan timnya di AWS adalah contohnya,” tambahnya. “Mereka datang kepada kami karena, selama bertahun-tahun, kami telah mengembangkan sejumlah besar kemampuan inovasi berlian sintetis. Akumulasi pengetahuan kami sejalan dengan tantangan teknis yang harus dipecahkan untuk mewujudkan platform jaringan kuantum berlian, ditambah lagi kami telah menunjukkan kemampuan untuk menskalakan berlian sintetis ke dalam lingkungan produksi.”

Pada saat yang sama, Elemen Enam menyadari bahwa pasar pertumbuhan baru untuk berlian sintetis akan memerlukan solusi yang mempermudah penggunaan bahan tersebut – dalam rantai pasokan kuantum yang sedang berkembang dan di tempat lain. “Pada akhirnya, kebutuhan dan peluang tidak hanya terletak pada pembuatan berlian sintetis tingkat kuantum, namun juga pemrosesan dan integrasinya dalam perangkat fotonik,” kata Twitchen. “Dan dengan melakukan hal ini, mengurangi hambatan dalam adopsi berlian sintetis.”

Saat ini, fokus Twitchen dan rekan-rekannya di Element Six adalah meningkatkan kemitraan industri perusahaan di bidang jaringan kuantum, setelah membangun potensi berlian sintetis dalam kolaborasi akademis dengan kelompok jaringan kuantum terkemuka di Kamu kalah di Belanda juga MIT dan Harvard University di Amerika.

“Hal yang belum ada hingga saat ini,” simpul Twitchen, “adalah pemain industri besar yang mengatakan bahwa mereka dapat meluncurkan sistem komunikasi kuantum dengan memperkenalkan generasi baru layanan jaringan aman kuantum untuk pelanggan mereka. Teknologi tersebut tidak lebih besar dari AWS, jadi sangat menarik untuk menggabungkan keahlian kami dalam bidang berlian tingkat kuantum dengan pengetahuan AWS dalam bidang fotonik untuk mewujudkan visi ini.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/