Synthetische diamant: hoe materiaalinnovatie de regels van kwantumnetwerken herschrijft – Physics World

Terwijl de huidige glasvezelnetwerken klassieke informatie over mondiale lengteschalen distribueren, zullen de kwantumnetwerken van de niet zo verre toekomst de exotische eigenschappen van verstrengeling en superpositie exploiteren om kwantuminformatie veilig tussen eindgebruikers op dezelfde mondiale schaal te verzenden. Deze mogelijkheid zal kwantumgecodeerde communicatie mogelijk maken voor allerlei soorten organisaties – van overheden en banken tot gezondheidszorgaanbieders en het leger – en onvermijdelijk de weg openen naar de implementatie van parallelle kwantumcomputingbronnen op grote schaal, met op afstand gelegen computerknooppunten die met kwantumcomputers zijn verbonden. mechanisch over het netwerk.

Hoewel ze nog in ontwikkeling zijn, vertegenwoordigen kwantumrepeaters een belangrijke technologie nu het kwantuminternet in zicht komt, en vervullen ze een vergelijkbare functie als vezelversterkers in klassieke optische netwerken door te corrigeren voor het verlies en de ontrouw die optreden als kwantuminformatie zich over lange afstanden voortplant (hoewel zonder het verstoren van de kwantumtoestand van licht terwijl het door het netwerk gaat).

Kwantumrepeaters werken door informatie die op fotonen is gecodeerd, over te dragen naar een stationaire geheugenqubit waar de informatie kan worden opgeslagen en gecorrigeerd. Defecte qubits, zoals kleurcentra in synthetische diamant, worden geloofwaardige kandidaten voor deze taak omdat ze een effectieve interface hebben met licht (de bron van hun kleur) en omdat deze defecten een langlevend ‘spin’-geheugen kunnen hebben. Twee klassen diamantdefectqubits staan ​​in dit opzicht in het middelpunt van de belangstelling voor onderzoek en ontwikkeling: het stikstof-vacancy-spincentrum (NV) en het silicium-vacancy-spincentrum (SiV), die beide worden gevormd door het verwijderen van twee aangrenzende koolstofatomen uit een synthetisch diamantkristalrooster en deze vervangen door respectievelijk een enkel stikstof- of siliciumatoom.

Hier Bart Machielse, senior kwantumonderzoeker bij de AWS-centrum voor kwantumnetwerken, vertelt Natuurkunde wereld hoe zijn team toegang krijgt tot de toonaangevende materiaalwetenschap en fabricagemogelijkheden van onderzoekspartner Element zes om “kwantumvoordeel” te realiseren in optische communicatiesystemen die gebruik maken van synthetische diamant.

Wat is het hoofddoel van het AWS-kwantumnetwerkprogramma?

Het AWS Center for Quantum Networking is gevestigd in Boston, Massachusetts, en beschikt over alle tools die nodig zijn om een ​​onafhankelijk R&D-initiatief op het gebied van kwantumcommunicatie te ondersteunen. Als zodanig fabriceren, testen, karakteriseren en optimaliseren we onze eigen apparaten voor proof-of-concept-testen in kwantumnetwerkexperimenten over lange afstanden. In mijn rol geef ik leiding aan het apparaten- en verpakkingsteam met als opdracht de opschaling en integratie van kwantumfotonica (inclusief synthetische diamantfotonica) in hoogwaardige onderzoeksdemonstrators van kwantumnetwerktechnologieën van toepassingskwaliteit te stimuleren.

Vermoedelijk is samenwerking een gegeven in zo'n competitief veld?

Het is verplicht. We vertrouwen op R&D-partners die unieke technische capaciteiten, diepgaande domeinkennis en specialistische knowhow kunnen inbrengen. Onze samenwerking met Element Six gaat bijvoorbeeld helemaal over het opnieuw bedenken en transformeren van synthetische diamant als een materieel platform voor fotonische apparaten die bestemd zijn voor toepassingen in kwantumgeheugens en kwantumrepeaters. Kort gezegd betekent dit dat we moeten evolueren van waar we nu zijn – een substraat dat lastig is om mee te werken als het gaat om nanofotonische fabricage – naar een materiaal dat compatibel is met schaalbare, reproduceerbare en kosteneffectieve productie in halfgeleiderstijl.

Hoe verloopt de samenwerking met Element Six operationeel?

Werken met Element Six is ​​een echte R&D-samenwerking. Om te beginnen is er een nauwe integratie tussen de materiaalexperts van Element Six en het kwantumfotonica-team hier bij AWS. Het collectieve gesprek is de sleutel tot een succesvolle vertaling van de basiskennis over materialen bij Element Six naar verbeterde prestaties op apparaatniveau.

In dit opzicht draait het allemaal om de pijplijn: het is onze taak bij AWS om de diamantsubstraten die Element Six produceert te gebruiken en onze gespecialiseerde optische, fabricage-, microgolf- en cryogene tools toe te passen om de kwantumprestaties van dat materiaal beter te begrijpen wanneer het wordt gefabriceerd tot fotonische apparatuur. apparaten – in het bijzonder hoe de optische emissie in kaart wordt gebracht versus fundamentele materiaaleigenschappen zoals dislocatiedichtheid, rek, oppervlaktegladheid en dergelijke.

Wat zijn de belangrijkste productie- en technische uitdagingen als het gaat om de inzet van synthetische diamant in kwantumnetwerksystemen?

Op dit moment is veel van wat we doen op het gebied van synthetische diamantfotonica zeer probabilistisch – bijvoorbeeld in termen van monsterzuiverheid, de vorming van defecten, de exacte locatie van die defecten en de kristaleigenschappen van het substraatmateriaal op macroschaal. Kortom, er is veel inzicht nodig om de benodigde eigenschappen voor de toepassing te koppelen aan de materiaalspecificaties zodat deze volledig opschaalbaar is. In samenwerking met Element Six probeert AWS te begrijpen wat de factoren zijn die synthetische diamant kwantumkwaliteit maken; ook wat de grenzen zijn als het gaat om het terugdringen van de kosten/complexiteit van materiaalverwerking, zodat u krijgt wat u nodig heeft, en niet wat u niet nodig heeft.

Eén ding is zeker: de toewijding van Element Six aan voortdurende investeringen in plasma-enhanced chemische dampdepositie (PECVD) groeitechnieken zal van cruciaal belang zijn voor het ontwerp, de ontwikkeling en de grootschalige fabricage van diamantapparaten voor kwantumnetwerktoepassingen. De prioriteiten zijn al duidelijk: het verbeteren van de controle over de soorten defecten die ontstaan ​​en het materiaal dat wordt opgenomen tijdens de groei van synthetische diamant; het verbreden van de verschillende morfologieën van diamanten die op schaal kunnen worden geproduceerd; en tegelijkertijd de productiekosten verlagen.

Anders gezegd: materiaalinnovatie is niets zonder controle?

Dat is correct. De komende taak is het verwijderen van alle variabiliteiten uit het fabricageproces van synthetische diamant, zodat we het ontwerp, de integratie en de prestaties van kwantumfotonische apparaten en subsystemen in het netwerk kunnen optimaliseren. Nog fundamenteler: wanneer we tegenwoordig een fotonisch apparaat met synthetische diamant fabriceren, gebruiken we de bovenste paar microns van een diamant van 0.5 mm dik, dus we moeten manieren vinden om veel efficiënter te zijn. Denk aan maakbaarheid, denk aan kostenreductie en uiteindelijk aan synthetische diamantsubstraten die ‘fabbable’ zijn – dat wil zeggen compatibel met standaard halfgeleiderfabricagetechnieken.

Hoe ziet de AWS-technologieroadmap eruit in kwantumnetwerken?

Op termijn zou het mogelijk moeten zijn om in volume diamantfotonische apparaten in te zetten die kwantumgeheugens bevatten die dienen als kwantumrepeaters – essentiële bouwstenen voor wat wij “verstrengelingsdistributienetwerken” noemen. Op de korte termijn is de R&D-prioriteit om samen te werken met bedrijven als Element Six om synthetische diamantsubstraten van kwantumkwaliteit te leveren die de engineering en systeemintegratie op apparaatniveau betrouwbaarder, schaalbaarder en netwerkklaar zullen maken. Onze hoop is dat de vooruitgang in de productie van synthetische diamanten vroeg of laat downstream-technologie-innovaties zal opleveren die AWS-kwantumcommunicatiesystemen tot een onmisbaar hulpmiddel maken in het netwerkbeveiligings- en privacyarsenaal van onze zakelijke klanten.

De zoektocht naar een kwantum ‘game-changer’

Synthetische diamant van kwantumkwaliteit staat klaar voor een hele nieuwe reeks fotonische toepassingen in kwantumcomputing, kwantummetrologie en kwantumnetwerken – waarvan er vele geen analogen hebben in bestaande materialen. De academische gemeenschap is op haar beurt gefocust op het verleggen van de grenzen van wat met dit materiaal kan worden gedaan, wat leidt tot paradigmaverschuivingen in de kwantumprestaties, terwijl de industrie er alles aan doet om de huidige state-of-the-art te benutten en uit te zoeken hoe het beste om kunstmatige synthetische diamant te verpakken en te integreren in kwantumapparaten van de volgende generatie.

Nu de vertaling van het onderzoekslaboratorium naar de markt centraal staat, worden de maatstaven voor succes voor kwantumdiamantenapparaten steeds vaker gedefinieerd aan de hand van coördinaten als betrouwbaarheid, robuustheid, maakbaarheid, schaalbaarheid en kosten/prestatieverhouding. Die verschuiving in mentaliteit en prioriteit vormt de basis voor het werk van het kwantumontwikkelingsteam van Element Six, dat zijn gepatenteerde technologie en knowhow bij de PECVD-fabricage toepast om op schaal kwantumkwaliteiten van eenkristaldiamant te produceren met gecontroleerde niveaus van NV en SiV-spincentra voor toepassingen in kwantumnetwerksystemen en daarbuiten.

“Synthetische diamant kan baanbrekende oplossingen bieden en onze klanten en partners in staat stellen iets te doen dat voorheen niet mogelijk was – van het bouwen van een laser met ongekende vermogensdichtheden tot een ‘akoestische koepel’ van synthetisch diamant met uitzonderlijk hoge frequentiekarakteristieken”, legt hij uit. Daniel Twitchen, hoofdtechnoloog bij Element Six.

“Bart Machielse en zijn team bij AWS zijn daar een voorbeeld van”, voegt hij eraan toe. “Ze kwamen naar ons toe omdat we door de jaren heen een grote gereedschapskist aan innovatiemogelijkheden op het gebied van synthetische diamant hebben ontwikkeld. Onze opgebouwde kennis sluit aan bij de technische uitdagingen die moeten worden opgelost om een ​​diamantkwantumnetwerkplatform te realiseren, en we hebben het vermogen aangetoond om synthetische diamant op te schalen naar een productieomgeving.”

Tegelijkertijd realiseert Element Six zich dat nieuwe groeimarkten voor synthetische diamant oplossingen zullen vereisen die het gebruik van het materiaal gemakkelijker maken – binnen de opkomende kwantumtoeleveringsketen en elders. “Uiteindelijk liggen de behoefte en kansen niet alleen in het maken van synthetische diamant van kwantumkwaliteit, maar ook in de verwerking en integratie ervan in fotonische apparaten”, merkt Twitchen op. “En daarmee de barrières voor de adoptie van synthetische diamant verkleinen.”

Op dit moment ligt de focus voor Twitchen en zijn Element Six-collega's op het opschalen van de industriële partnerschappen van het bedrijf op het gebied van kwantumnetwerken, nadat ze het potentieel van synthetische diamant al hebben vastgesteld in academische samenwerkingen met toonaangevende kwantumnetwerkgroepen op het gebied van kwantumnetwerken. U delft ook in Nederland MIT en Harvard University in de Verenigde Staten.

“Wat tot nu toe ontbreekt”, besluit Twitchen, “is een grote speler in de sector die zegt kwantumcommunicatiesystemen te kunnen uitrollen door een nieuwe generatie kwantumbeveiligde netwerkdiensten voor hun klanten te introduceren. Ze zijn niet veel groter dan AWS, dus het is spannend om onze expertise op het gebied van diamant van kwantumkwaliteit te bundelen met de kennis van AWS op het gebied van fotonica om deze visie werkelijkheid te maken.”

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/