合成ダイヤモンド: 材料イノベーションが量子ネットワークのルールをどのように書き換えるか – Physics World

今日の光ファイバーネットワークは地球規模の長さスケールにわたって古典的な情報を配信しますが、そう遠くない未来の量子ネットワークは、もつれと重ね合わせのエキゾチックな特性を利用して、同じ地球規模のスケールでエンドユーザー間で量子情報を安全に送信することになります。 この機能により、政府や銀行から医療提供者や軍に至るまで、あらゆる組織の量子暗号化通信が可能になり、必然的に、量子接続されたリモート コンピューティング ノードによる大規模な並列量子コンピューティング リソースの実装への道が開かれます。ネットワーク全体で機械的に。

まだ開発中ですが、量子中継器は、量子インターネットが視野に入ってきた中核となる技術を実現しており、量子情報が長距離を伝播するときに発生する損失と不忠実性を補正することで、古典的な光ネットワークのファイバー増幅器と同様の機能を果たします（ただし、光がネットワークを通過するときに光の量子状態を破壊します)。

量子中継器は、光子にエンコードされた情報を固定メモリ量子ビットに転送することによって動作し、情報はそこで保存および修正されます。 合成ダイヤモンドの色中心などの欠陥量子ビットは、光（色の源）との効果的なインターフェースを持ち、これらの欠陥は長寿命の「スピン」記憶を持つ可能性があるため、このタスクの信頼できる候補として形成されています。 この点に関しては、窒素空孔スピン中心 (NV) とシリコン空孔スピン中心 (SiV) という XNUMX つのクラスのダイヤモンド欠陥量子ビットが研究開発の焦点となっており、どちらも隣接する XNUMX つの炭素原子を除去することによって形成されます。合成ダイヤモンド結晶格子を使用し、それらをそれぞれ単一の窒素原子またはシリコン原子に置き換えます。

ここでバート・マキエルス氏、上級量子研究科学者 AWS 量子ネットワーク センター、教えて 物理学の世界 彼のチームは研究パートナーの最先端の材料科学と製造能力にどのようにアクセスしているか エレメントシックス 合成ダイヤモンドを用いた光通信システムにおける「量子の優位性」の実現を目指す。

AWS 量子ネットワーキング プログラムの最大の目標は何ですか?

AWS 量子ネットワーキングセンターはマサチューセッツ州ボストンにあり、量子通信における独立した研究開発イニシアチブをサポートするために必要なすべてのツールを備えています。 そのため、当社では長距離量子ネットワーキング実験における概念実証テスト用に独自のデバイスを製造、テスト、特性評価、最適化しています。 私の役割として、私はデバイスおよびパッケージング チームを率いており、展開グレードの量子ネットワーキング テクノロジーのハイグレードな研究デモンストレーターにおける量子フォトニクス (合成ダイヤモンド フォトニクスを含む) のスケールアップと統合を推進するという権限を持っています。

このような競争の激しい分野では、コラボレーションは当然のことなのではないでしょうか?

それは必須です。 当社は、独自の技術力、深い分野の知識、専門知識を提供できる研究開発パートナーを信頼しています。 たとえば、Element Sixとのコラボレーションは、量子メモリや量子リピータへの応用を目的としたフォトニックデバイスの材料プラットフォームとして合成ダイヤモンドを再考し、変革することに尽きます。 簡単に言うと、それは、現在の状況（ナノフォトニクス製造に関しては扱いが難しい基板）から、拡張性、再現性、コスト効率の高い半導体スタイルの製造に適合する材料へと進化することを意味します。

Element Six とのコラボレーションは運用上どのように機能しますか?

Element Six との連携は真の研究開発コラボレーションです。 まず、Element Six の材料専門家と AWS の量子フォトニクス チームの間には緊密な統合があります。 全員での対話は、Element Six のベースライン材料のノウハウをデバイスレベルのパフォーマンスの向上にうまく変換するための鍵となります。

この点に関しては、すべてパイプラインが重要です。AWS での仕事は、Element Six が製造するダイヤモンド基板を取得し、専門の光学、製造、マイクロ波、極低温ツールを適用して、フォトニクスに製造される際のその材料の量子性能をより深く理解することです。デバイス – 特に、転位密度、ひずみ、表面平滑性などの基本的な材料特性に対して発光がどのようにマッピングされるか。

合成ダイヤモンドを量子ネットワーキング システムに導入する際の製造およびエンジニアリングの主な課題は何ですか?

現在、合成ダイヤモンドフォトニクスで私たちが行っていることの多くは、サンプルの純度、欠陥の形成、それらの欠陥の正確な位置、基板材料のマクロスケールの結晶特性などに関して、非常に確率的なものです。 つまり、アプリケーションに必要な特性を材料仕様に関連付けて完全に拡張できるようにするには、多くの理解が必要です。 AWS は、Element Six と協力して、合成ダイヤモンドを量子グレードにする要因が何であるかを理解しようとしています。 また、必要のないものではなく、必要なものを得るために、材料加工のコストや複雑さを削減する際の限界は何なのかについても説明します。

XNUMX つ確かなことは、プラズマ化学蒸着 (PECVD) 成長技術への継続的な投資に対する Element Six の取り組みが、量子ネットワーキング用途向けのダイヤモンド デバイスの設計、開発、および大規模製造にとって極めて重要であるということです。 優先順位はすでに明らかです。合成ダイヤモンドの成長中に生成される欠陥の種類と組み込まれる材料の制御を改善することです。 大規模に生産できるダイヤモンドのさまざまな形態の幅を広げる。 同時に製造コストも削減します。

別の言い方をすると、材料のイノベーションは制御なしでは成り立たないのでしょうか？

そのとおりです。 今後の課題は、ネットワーク内の量子フォトニックデバイスとサブシステムの設計、統合、性能を最適化できるように、合成ダイヤモンドの製造プロセスからすべてのばらつきを取り除くことです。 さらに基本的なことは、現在合成ダイヤモンド フォトニック デバイスを製造する場合、厚さ 0.5 mm のダイヤモンドの上部数ミクロンを使用しているため、より効率を高める方法を見つける必要があるということです。 製造可能性を考え、コスト削減を考え、最終的にはより「製造可能」、つまり標準的な半導体製造技術と互換性のある合成ダイヤモンド基板を考えます。

量子ネットワーキングにおける AWS テクノロジーのロードマップはどのようなものですか?

やがて、量子中継器として機能する量子メモリを含むダイヤモンドフォトニックデバイスを大量に導入できるようになるはずです。量子中継器は、私たちが「もつれ分散ネットワーク」と呼ぶものに不可欠な構成要素です。 近い将来の研究開発の優先事項は、Element Six のような企業と協力して、デバイスレベルのエンジニアリングとシステム統合の信頼性、拡張性、およびネットワーク対応性を高める量子グレードの合成ダイヤモンド基板を提供することです。 私たちの希望は、合成ダイヤモンドの製造における進歩が、遅かれ早かれ、AWS 量子通信システムを企業顧客のネットワークセキュリティとプライバシーの武器庫に必須のツールにする下流技術革新を生み出すことです。

量子の「ゲームチェンジャー」の探索

量子グレードの合成ダイヤモンドは、量子コンピューティング、量子計測、量子ネットワーキングにおける全く新しい範囲のフォトニックアプリケーション向けにラインナップされており、その多くは既存の材料に類似物がありません。 学術コミュニティは、この材料でできることの限界を押し広げ、量子性能のパラダイムシフトをもたらすことに注力しているのに対し、産業界は現在の最先端技術を取り入れ、その方法を理解することに全力を注いでいます。人工合成ダイヤモンドをパッケージ化して次世代の量子デバイスに統合するのに最適です。

現在、研究室から市場への移行が最前線にあり、量子ダイヤモンドデバイスの成功の尺度は、信頼性、堅牢性、製造可能性、拡張性、コストパフォーマンス比などの座標に沿ってますます定義されています。 この考え方と優先順位の変化は、Element Six の量子開発チームの仕事に影響を与えています。同チームは、PECVD 製造における特許技術とノウハウを応用して、制御されたレベルの NV と、制御されたレベルの NV を含む量子グレードの単結晶ダイヤモンドを大規模に生産しています。量子ネットワーキング システムおよびそれ以降のアプリケーション向けの SiV スピン センター。

「合成ダイヤモンドは、革新的なソリューションを提供し、当社の顧客やパートナーが、前例のない出力密度を備えたレーザーの構築から、非常に高い周波数特性を持つ合成ダイヤモンドの『音響ドーム』の構築まで、これまでできなかったことを実行できるようになります。」と説明します。ダニエル・トゥッチェン氏、エレメント・シックスの主任技術者。

「Bart Macelse と AWS の彼のチームがその好例です」と彼は付け加えました。 「彼らが私たちを訪ねてきたのは、私たちが長年にわたって合成ダイヤモンドのイノベーション能力を備えた大規模なツールボックスを開発してきたからです。 私たちの蓄積されたノウハウは、ダイヤモンド量子ネットワーキングプラットフォームを実現するために解決しなければならない技術的課題と一致しており、さらに合成ダイヤモンドを生産環境に拡張する能力を実証しました。」

同時に、エレメント シックスは、合成ダイヤモンドの新たな成長市場には、新興の量子サプライ チェーンやその他の場所で、材料の使用を容易にするソリューションが必要であることを認識しています。 「最終的には、その必要性と機会は、量子グレードの合成ダイヤモンドを製造するだけでなく、それを加工してフォトニックデバイス内に統合することにある」とトゥッチェン氏は指摘する。 「そうすることで、合成ダイヤモンドの採用に対する障壁が低くなります。」

現在、Twitchen と彼の Element Six の同僚の焦点は、量子ネットワーキングの分野における同社の産業パートナーシップを拡大することであり、すでに、世界の主要な量子ネットワーキング グループとの学術協力において合成ダイヤモンドの可能性を確立しています。 TUデルフト オランダでも同様に マサチューセッツ工科大学（MIT） および ハーバード大学 アメリカ合衆国で。

「これまで欠けていたのは、顧客向けに新世代の量子安全ネットワークサービスを導入することで量子通信システムを展開できると業界大手が主張したことだ」とトゥイチェンは結論づけた。 AWS ほど大きなものはありません。そのため、このビジョンを現実にするために、量子グレードのダイヤモンドに関する私たちの専門知識と AWS のフォトニクスのノウハウを結集できることは大変喜ばしいことです。」

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