Diamante sintetico: come l’innovazione dei materiali sta riscrivendo le regole del networking quantistico – Physics World

Mentre le odierne reti in fibra ottica distribuiscono informazioni classiche su scale di lunghezza globali, le reti quantistiche di un domani non così lontano sfrutteranno le proprietà esotiche dell’entanglement e della sovrapposizione per trasmettere in modo sicuro informazioni quantistiche tra utenti finali sulla stessa scala globale. Questa capacità consentirà comunicazioni crittografate quantistiche per tutti i tipi di organizzazioni – dai governi e dalle banche agli operatori sanitari e ai militari – e aprirà la strada, inevitabilmente, all’implementazione di risorse di calcolo quantistico parallelo su larga scala, con nodi di calcolo remoti collegati quantistici. meccanicamente attraverso la rete.

Sebbene siano ancora in fase di sviluppo, i ripetitori quantistici rappresentano una tecnologia abilitante fondamentale con l’avvento dell’Internet quantistica, svolgendo una funzione simile a quella degli amplificatori in fibra nelle reti ottiche classiche correggendo la perdita e l’infedeltà che si verificano quando l’informazione quantistica si propaga su lunghe distanze (anche se senza interrompendo lo stato quantistico della luce mentre attraversa la rete).

I ripetitori quantistici funzionano trasferendo le informazioni codificate sui fotoni su un qubit di memoria stazionario dove le informazioni possono essere archiviate e corrette. I qubit difettosi, come i centri di colore nel diamante sintetico, si stanno rivelando candidati credibili per questo compito perché hanno un’interfaccia efficace con la luce (la fonte del loro colore) e perché questi difetti possono avere una memoria “rotativa” di lunga durata. Due classi di qubit con difetti di diamante sono al centro di un intenso interesse di ricerca e sviluppo a questo riguardo: il centro di spin di posti vacanti di azoto (NV) e il centro di spin di posti vacanti di silicio (SiV), entrambi formati rimuovendo due atomi di carbonio adiacenti da un reticolo cristallino di diamante sintetico e sostituendoli rispettivamente con un singolo atomo di azoto o silicio.

Qui Bart Machielse, ricercatore senior di ricerca quantistica presso l' Centro AWS per reti quantistiche, racconta Mondo della fisica come il suo team sta accedendo alle capacità di fabbricazione e scienza dei materiali all'avanguardia del partner di ricerca Elemento sei realizzare il “vantaggio quantico” nei sistemi di comunicazione ottica utilizzando il diamante sintetico.

Qual è l'obiettivo principale del programma di rete quantistica AWS?

L'AWS Center for Quantum Networking si trova a Boston, nel Massachusetts, e dispone di tutti gli strumenti necessari per supportare un'iniziativa di ricerca e sviluppo indipendente nelle comunicazioni quantistiche. Pertanto, produciamo, testiamo, caratterizziamo e ottimizziamo i nostri dispositivi per test di prova di concetto in esperimenti di rete quantistica a lunga distanza. Nel mio ruolo, guido il team dedicato ai dispositivi e al packaging con il compito di guidare l'espansione e l'integrazione della fotonica quantistica (inclusa la fotonica dei diamanti sintetici) in dimostratori di ricerca di alto livello di tecnologie di rete quantistica di livello di implementazione.

Presumibilmente, la collaborazione è un dato di fatto in un campo così competitivo?

È obbligatorio. Facciamo affidamento su partner di ricerca e sviluppo in grado di apportare capacità tecniche uniche, profonda conoscenza del settore e know-how specialistico. La nostra collaborazione con Element Six, ad esempio, riguarda la reimmaginazione e la trasformazione del diamante sintetico come piattaforma materiale per dispositivi fotonici destinati ad applicazioni in memorie quantistiche e ripetitori quantistici. In breve, ciò significa progredire da dove siamo ora – un substrato con cui è difficile lavorare quando si tratta di fabbricazione nanofotonica – a un materiale compatibile con una produzione in stile semiconduttore scalabile, riproducibile ed economica.

Come funziona operativamente la collaborazione con Element Six?

Lavorare con Element Six è una vera collaborazione di ricerca e sviluppo. Per cominciare, c'è una stretta integrazione tra gli esperti di materiali di Element Six e il team di fotonica quantistica qui ad AWS. La conversazione collettiva è la chiave per tradurre con successo il know-how sui materiali di base di Element Six in prestazioni migliorate a livello di dispositivo.

A questo proposito è tutta una questione di pipeline: il nostro lavoro in AWS è prendere i substrati di diamante prodotti da Element Six e applicare i nostri strumenti specialistici ottici, di fabbricazione, a microonde e criogenici per comprendere meglio le prestazioni quantistiche di quel materiale quando viene fabbricato in fotonico dispositivi - in particolare, come l'emissione ottica si mappa rispetto alle proprietà fondamentali dei materiali come densità di dislocazione, deformazione, levigatezza della superficie e simili.

Quali sono le principali sfide di produzione e ingegneria quando si tratta di implementare il diamante sintetico nei sistemi di rete quantistica?

Al momento, gran parte di ciò che facciamo nella fotonica dei diamanti sintetici è altamente probabilistico, ad esempio in termini di purezza del campione, formazione di difetti, posizione esatta di tali difetti e proprietà cristalline su macroscala del materiale del substrato. In breve, è necessaria molta comprensione per collegare le proprietà richieste per l’applicazione alle specifiche del materiale in modo che possa essere completamente adattato. In collaborazione con Element Six, AWS sta cercando di capire quali sono i fattori che rendono il diamante sintetico di grado quantico; e quali sono i limiti quando si tratta di ridurre i costi/la complessità della lavorazione dei materiali in modo da ottenere ciò di cui hai bisogno, non ciò che non ti serve.

Una cosa è certa: l’impegno di Element Six verso investimenti continui nelle tecniche di crescita della deposizione chimica in fase vapore potenziata dal plasma (PECVD) sarà fondamentale per la progettazione, lo sviluppo e la fabbricazione su larga scala di dispositivi diamantati per applicazioni di rete quantistica. Le priorità sono già chiare: migliorare il controllo sui tipi di difetti creati e sul materiale incorporato durante la crescita del diamante sintetico; ampliare le diverse morfologie di diamanti che possono essere prodotte su larga scala; e contemporaneamente riducendo i costi di produzione.

Detto in altro modo: l’innovazione dei materiali non è nulla senza controllo?

È corretto. Il compito futuro è quello di rimuovere tutte le variabilità dal processo di fabbricazione del diamante sintetico in modo da poter ottimizzare la progettazione, l’integrazione e le prestazioni dei dispositivi e dei sottosistemi fotonici quantistici nella rete. Ancora più fondamentale: quando oggi fabbrichiamo un dispositivo fotonico di diamante sintetico, utilizziamo i primi micron di un diamante spesso 0.5 mm, quindi dobbiamo trovare modi per essere molto più efficienti. Pensate alla producibilità, alla riduzione dei costi e, in ultima analisi, a substrati di diamante sintetico che siano più “fabbable” – cioè compatibili con le tecniche standard di fabbricazione dei semiconduttori.

Come si presenta la roadmap della tecnologia AWS nel networking quantistico?

Col tempo, dovrebbe essere possibile distribuire, in grandi quantità, dispositivi fotonici diamante contenenti memorie quantistiche che fungono da ripetitori quantistici – elementi costitutivi essenziali per quelle che chiamiamo “reti di distribuzione dell’entanglement”. Nel breve termine, la priorità di ricerca e sviluppo è quella di collaborare con aziende come Element Six per fornire substrati di diamanti sintetici di livello quantistico che renderanno l’ingegneria a livello di dispositivo e l’integrazione dei sistemi più affidabili, scalabili e pronti per la rete. La nostra speranza è che i progressi nella fabbricazione dei diamanti sintetici producano, prima o poi, innovazioni tecnologiche a valle che rendano i sistemi di comunicazione quantistica AWS uno strumento indispensabile nell’arsenale di sicurezza di rete e privacy dei nostri clienti aziendali.

La ricerca di un “punto di svolta” quantistico

Il diamante sintetico di grado quantistico è in fase di sviluppo per una gamma completamente nuova di applicazioni fotoniche nell’informatica quantistica, nella metrologia quantistica e nelle reti quantistiche, molte delle quali non hanno analoghi nei materiali esistenti. La comunità accademica, da parte sua, è impegnata a superare i limiti di ciò che può essere fatto con questo materiale, portando a cambiamenti di paradigma nelle prestazioni quantistiche, mentre l’industria è impegnata a prendere l’attuale stato dell’arte e capire come migliore per confezionare e integrare il diamante sintetico ingegnerizzato nei dispositivi quantistici di prossima generazione.

Con il passaggio dal laboratorio di ricerca al mercato ormai al centro, le misure del successo dei dispositivi a diamante quantistico sono sempre più definite lungo coordinate quali affidabilità, robustezza, producibilità, scalabilità e rapporto costi/prestazioni. Questo cambiamento di mentalità e priorità informa il lavoro del team di sviluppo quantistico di Element Six, che sta applicando la sua tecnologia brevettata e il suo know-how nella fabbricazione PECVD per produrre, su larga scala, gradi quantistici di diamante monocristallino contenenti livelli controllati di NV e Centri di spin SiV per applicazioni nei sistemi di rete quantistica e oltre.

"Il diamante sintetico può offrire soluzioni rivoluzionarie e consentire ai nostri clienti e partner di fare qualcosa che prima non era possibile fare: dalla costruzione di un laser con densità di potenza senza precedenti a una "cupola acustica" di diamante sintetico con caratteristiche di frequenza eccezionalmente elevate", spiega Daniel Twitchen, capo tecnologo della Element Six.

"Bart Machielse e il suo team di AWS ne sono un esempio calzante", aggiunge. “Si sono rivolti a noi perché, nel corso degli anni, abbiamo sviluppato un’ampia gamma di strumenti con capacità di innovazione nei diamanti sintetici. Il nostro know-how accumulato è in linea con le sfide tecniche che devono essere risolte per realizzare una piattaforma di rete quantistica del diamante, inoltre abbiamo dimostrato la capacità di adattare il diamante sintetico a un ambiente di produzione”.

Allo stesso tempo, Element Six si rende conto che i nuovi mercati in crescita per il diamante sintetico richiederanno soluzioni che rendano più semplice l’utilizzo del materiale, all’interno della catena di approvvigionamento quantistica emergente e altrove. “In definitiva, la necessità e l’opportunità non risiedono solo nel produrre diamante sintetico di grado quantistico, ma anche nel processarlo e integrarlo all’interno di dispositivi fotonici”, osserva Twitchen. “E, così facendo, riducendo le barriere all’adozione del diamante sintetico”.

In questo momento, l'obiettivo di Twitchen e dei suoi colleghi di Element Six è quello di ampliare le partnership industriali dell'azienda nel campo delle reti quantistiche, avendo già stabilito il potenziale del diamante sintetico in collaborazioni accademiche con i principali gruppi di reti quantistiche presso Sei delft anche nei Paesi Bassi CON ed Università di Harvard negli Stati Uniti.

“Ciò che è mancato finora”, conclude Twitchen, “è che un grande attore del settore affermi di poter implementare sistemi di comunicazione quantistica introducendo una nuova generazione di servizi di rete quantistici sicuri per i propri clienti. Non sono molto più grandi di AWS, quindi è entusiasmante unire la nostra esperienza nei diamanti di grado quantistico con il know-how di AWS nella fotonica per trasformare questa visione in realtà”.

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