합성 다이아몬드: 재료 혁신이 양자 네트워킹의 규칙을 다시 쓰는 방법 – Physics World

오늘날의 광섬유 네트워크는 고전적인 정보를 글로벌 길이 규모에 걸쳐 배포하는 반면, 그리 멀지 않은 미래의 양자 네트워크는 얽힘과 중첩이라는 이국적인 특성을 활용하여 동일한 글로벌 규모의 최종 사용자 간에 양자 정보를 안전하게 전송할 것입니다. 이 기능은 정부, 은행, 의료 서비스 제공업체, 군대 등 모든 조직에서 양자 암호화 통신을 가능하게 하며, 양자에 연결된 원격 컴퓨팅 노드를 통해 필연적으로 대규모 병렬 양자 컴퓨팅 리소스를 구현할 수 있는 길을 열어줄 것입니다. 네트워크를 통해 기계적으로.

아직 개발 중이지만 양자 중계기는 양자 인터넷이 등장함에 따라 핵심 구현 기술을 나타내며 양자 정보가 장거리로 전파될 때 발생하는 손실 및 부정을 수정하여 기존 광 네트워크의 광섬유 증폭기와 유사한 기능을 제공합니다. 빛이 네트워크를 통과할 때 빛의 양자 상태를 방해합니다).

양자 중계기는 광자에 인코딩된 정보를 정보가 저장되고 수정될 수 있는 고정 메모리 큐비트로 전송하여 작동합니다. 합성 다이아몬드의 색상 중심과 같은 결함 큐비트는 빛(색상 소스)과의 효과적인 인터페이스를 갖고 있고 이러한 결함이 오래 지속되는 "스핀" 메모리를 가질 수 있기 때문에 이 작업에 대한 신뢰할 수 있는 후보로 형성되고 있습니다. 이와 관련하여 두 가지 종류의 다이아몬드 결함 큐비트, 즉 질소 공극 스핀 중심(NV)과 실리콘 공극 스핀 중심(SiV)이 집중적인 R&D 관심의 초점입니다. 둘 다 다이아몬드 결함 큐비트에서 두 개의 인접한 탄소 원자를 제거하여 형성됩니다. 합성 다이아몬드 결정 격자를 각각 단일 질소 또는 실리콘 원자로 대체합니다.

여기 Bart Machielse 수석 양자 연구 과학자가 있습니다. 양자 네트워킹을 위한 AWS 센터, 말한다 물리 세계 그의 팀이 연구 파트너의 최첨단 재료 과학 및 제조 역량에 어떻게 접근하고 있는지 요소 XNUMX 합성 다이아몬드를 이용한 광통신 시스템의 '양자 우위'를 실현합니다.

AWS 양자 네트워킹 프로그램의 헤드라인 목표는 무엇입니까?

AWS 양자 네트워킹 센터는 매사추세츠 주 보스턴에 있으며 양자 통신 분야의 독립적인 R&D 이니셔티브를 지원하는 데 필요한 모든 도구를 갖추고 있습니다. 따라서 우리는 장거리 양자 네트워킹 실험에서 개념 증명 테스트를 위해 자체 장치를 제작, 테스트, 특성화 및 최적화합니다. 저는 제 역할에서 배포 등급 양자 네트워킹 기술의 고급 연구 시연자에서 양자 포토닉스(합성 다이아몬드 포토닉스 포함)의 확장 및 통합을 추진하는 임무를 맡은 장치 및 패키징 팀을 이끌고 있습니다.

아무래도 이렇게 경쟁이 치열한 분야에서 협업은 당연하지 않을까요?

필수입니다. 우리는 고유한 기술 역량, 깊은 도메인 지식 및 전문 노하우를 제공할 수 있는 R&D 파트너에 의존합니다. 예를 들어 Element Six와의 협력은 합성 다이아몬드를 양자 메모리 및 양자 중계기 응용 분야에 사용되는 광소자용 재료 플랫폼으로 재구상하고 변형하는 것입니다. 간단히 말해서, 이는 나노포토닉 제조와 관련하여 작업하기 까다로운 기판인 현재 위치에서 확장 가능하고 재현 가능하며 비용 효율적인 반도체 스타일 제조와 호환되는 재료로 발전하는 것을 의미합니다.

Element Six와의 협업은 운영상 어떻게 이루어지나요?

Element Six와 협력하는 것은 진정한 R&D 협업입니다. 우선 Element Six의 재료 전문가와 AWS의 양자 포토닉스 팀이 긴밀하게 통합되어 있습니다. 집단적 대화는 Element Six의 기본 재료 노하우를 향상된 장치 수준 성능으로 성공적으로 전환하는 데 핵심입니다.

이와 관련하여 파이프라인이 중요합니다. AWS에서 우리의 임무는 Element Six가 생산하는 다이아몬드 기판을 가져와서 전문 광학, 제조, 마이크로파 및 극저온 도구를 적용하여 광자로 제조될 때 해당 물질의 양자 성능을 더 잘 이해하는 것입니다. 장치 – 특히 광학 방출이 전위 밀도, 변형, 표면 평활도 등과 같은 기본 재료 특성과 어떻게 매핑되는지.

양자 네트워킹 시스템에 합성 다이아몬드를 배치할 때 주요 제조 및 엔지니어링 과제는 무엇입니까?

현재 합성 다이아몬드 포토닉스 분야에서 우리가 수행하는 많은 작업은 예를 들어 샘플 순도, 결함 형성, 결함의 정확한 위치 및 기판 재료의 거시적 규모의 결정 특성 측면에서 매우 확률적입니다. 간단히 말해서, 응용에 필요한 특성을 재료 사양에 연결하여 완전히 확장할 수 있으려면 많은 이해가 필요합니다. AWS는 Element Six와 협력하여 합성 다이아몬드를 양자 등급으로 만드는 요소가 무엇인지 이해하려고 노력하고 있습니다. 또한 필요하지 않은 것이 아닌 필요한 것을 얻을 수 있도록 재료 처리의 비용/복잡성을 낮추는 데 한계가 무엇인지도 설명합니다.

한 가지는 확실합니다. 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 성장 기술에 대한 지속적인 투자에 대한 Element Six의 약속은 양자 네트워킹 응용 분야를 위한 다이아몬드 장치의 설계, 개발 및 대규모 제조에 매우 중요할 것입니다. 우선순위는 이미 명확합니다. 생성된 결함 유형과 합성 다이아몬드 성장 중에 포함된 재료에 대한 제어를 개선합니다. 대규모로 생산할 수 있는 다이아몬드의 다양한 형태를 확대합니다. 동시에 제조 비용도 절감됩니다.

달리 말하면, 재료 혁신은 통제 없이는 아무것도 아닙니다.

맞습니다. 앞으로의 과제는 합성 다이아몬드 제조 공정에서 모든 변동성을 제거하여 네트워크에 있는 양자 광소자 및 하위 시스템의 설계, 통합 및 성능을 최적화하는 것입니다. 훨씬 더 근본적인 점은 오늘날 합성 다이아몬드 광소자를 제작할 때 0.5mm 두께의 다이아몬드의 상위 몇 마이크론을 사용하므로 훨씬 더 효율적인 방법을 찾아야 한다는 것입니다. 제조 가능성, 비용 절감, 그리고 궁극적으로 보다 "가공 가능한" 합성 다이아몬드 기판, 즉 표준 반도체 제조 기술과 호환되는 것을 생각하십시오.

양자 네트워킹에서 AWS 기술 로드맵은 어떤 모습입니까?

시간이 지나면 양자 중계기 역할을 하는 양자 메모리가 포함된 다이아몬드 광자 장치를 대량으로 배포할 수 있어야 합니다. 이는 소위 "얽힘 배포 네트워크"의 필수 구성 요소입니다. 단기적으로 R&D의 우선순위는 Element Six와 같은 회사와 협력하여 장치 수준 엔지니어링 및 시스템 통합을 더욱 안정적이고 확장 가능하며 네트워크 지원하게 만드는 양자 등급 합성 다이아몬드 기판을 제공하는 것입니다. 우리의 희망은 합성 다이아몬드 제조의 발전이 조만간 AWS 양자 통신 시스템을 기업 고객의 네트워크 보안 및 개인 정보 보호 무기고에 꼭 필요한 도구로 만드는 다운스트림 기술 혁신을 낳는 것입니다.

양자 '게임 체인저' 탐색

양자 등급 합성 다이아몬드는 양자 컴퓨팅, 양자 계측 및 양자 네트워킹 분야에서 완전히 새로운 범위의 광자 응용 분야를 위해 준비되고 있습니다. 이들 중 다수는 기존 재료와 유사하지 않습니다. 학계에서는 이 물질로 수행할 수 있는 작업의 한계를 뛰어넘어 양자 성능의 패러다임 전환을 이끄는 데 중점을 두고 있는 반면, 업계에서는 현재의 최첨단 기술을 활용하고 방법을 알아내는 데 주력하고 있습니다. 가공된 합성 다이아몬드를 차세대 양자 장치에 패키징하고 통합하는 것이 가장 좋습니다.

연구실에서 시장으로의 전환이 이제 전면 및 중심이 되면서 양자 다이아몬드 장치의 성공 척도는 신뢰성, 견고성, 제조 가능성, 확장성 및 비용/성능 비율과 같은 좌표를 따라 점점 더 정의되고 있습니다. 이러한 사고방식과 우선순위의 변화는 PECVD 제조에 특허 기술과 노하우를 적용하여 제어된 수준의 NV 및 양자 네트워킹 시스템 및 그 이상의 응용 분야를 위한 SiV 스핀 센터입니다.

"합성 다이아몬드는 판도를 바꾸는 솔루션을 제공할 수 있으며 고객과 파트너가 이전에는 할 수 없었던 일을 할 수 있게 해줍니다. 전례 없는 전력 밀도를 갖춘 레이저를 만드는 것부터 예외적으로 높은 주파수 특성을 지닌 합성 다이아몬드 '어쿠스틱 돔'까지"라고 설명합니다. Element Six의 수석 기술 전문가 Daniel Twitchen입니다.

"AWS의 Bart Machielse와 그의 팀이 좋은 예입니다."라고 그는 덧붙였습니다. “그들은 우리가 수년에 걸쳐 합성 다이아몬드 혁신 기능을 갖춘 대규모 도구 상자를 개발했기 때문에 우리에게 왔습니다. 우리의 축적된 노하우는 다이아몬드 양자 네트워킹 플랫폼을 실현하기 위해 해결해야 하는 기술적 과제와 일치하며, 합성 다이아몬드를 생산 환경으로 확장할 수 있는 능력을 입증했습니다.”

동시에 Element Six는 합성 다이아몬드의 새로운 성장 시장에는 신흥 양자 공급망 및 다른 곳에서 재료를 더 쉽게 사용할 수 있는 솔루션이 필요하다는 것을 인식하고 있습니다. "궁극적으로 필요성과 기회는 양자 등급 합성 다이아몬드를 만드는 것뿐만 아니라 이를 광자 장치 내에서 처리하고 통합하는 데에도 있습니다."라고 Twitchen은 말합니다. "그리고 그렇게 함으로써 합성 다이아몬드 채택에 대한 장벽을 낮추게 됩니다."

현재 Twitchen과 그의 Element Six 동료들의 초점은 양자 네트워킹 분야에서 회사의 산업 파트너십을 확장하는 것입니다. 이미 선도적인 양자 네트워킹 그룹과의 학문적 협력을 통해 합성 다이아몬드의 잠재력을 확립했습니다. TU 델프트 네덜란드에서도 그렇고 MIT 및 하버드 대학교 미국에서.

Twitchen은 "지금까지 누락된 것은 고객을 위한 차세대 양자 보안 네트워크 서비스를 도입하여 양자 통신 시스템을 출시할 수 있다고 말하는 업계 대기업입니다."라고 결론지었습니다. AWS보다 훨씬 더 큰 규모는 아니기 때문에 양자 등급 다이아몬드에 대한 전문 지식과 AWS의 포토닉스 노하우를 결합하여 이 비전을 현실로 만들 수 있다는 것은 매우 흥미로운 일입니다.”

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