Syntetisk diamant: hvordan materialinnovasjon omskriver reglene for kvantenettverk – Physics World

Mens dagens fiberoptiske nettverk distribuerer klassisk informasjon på tvers av globale lengdeskalaer, vil kvantenettverkene til den ikke-så-fjerne morgendagen utnytte de eksotiske egenskapene til sammenfiltring og superposisjon for å sikre sikker overføring av kvanteinformasjon mellom sluttbrukere i samme globale skala. Denne evnen vil muliggjøre kvantekryptert kommunikasjon for alle slags organisasjoner – fra myndigheter og banker til helsepersonell og militæret – og åpne veien, uunngåelig, for implementering av parallelle kvantedatabehandlingsressurser i stor skala, med eksterne databehandlingsnoder knyttet til kvantedata. mekanisk på tvers av nettverket.

Selv om kvanterepeatere fortsatt er under utvikling, representerer kvanterepeatere en kjernemuliggjørende teknologi når kvanteinternett kommer til syne, og tjener en lignende funksjon som fiberforsterkere i klassiske optiske nettverk ved å korrigere for tap og utroskap som oppstår når kvanteinformasjon forplanter seg over lange avstander (men uten forstyrrer lysets kvantetilstand når det passerer gjennom nettverket).

Kvanterepeatere fungerer ved å overføre informasjon kodet på fotoner til en stasjonær minne-qubit hvor informasjonen kan lagres og korrigeres. Defekte qubits, for eksempel fargesentre i syntetisk diamant, former seg som troverdige kandidater for denne oppgaven fordi de har et effektivt grensesnitt med lys (kilden til fargen deres) og fordi disse defektene kan ha et langvarig "spinn"-minne. To klasser av diamantdefekte qubits er i fokus for intens FoU-interesse i denne forbindelse: nitrogen-ledige spinnsenter (NV) og silisium-ledige spinnsenter (SiV), som begge dannes ved å fjerne to tilstøtende karbonatomer fra et syntetisk diamantkrystallgitter og erstatte dem med henholdsvis et enkelt nitrogen- eller silisiumatom.

Her Bart Machielse, senior kvanteforsker ved AWS Center for Quantum Networking, forteller Fysikkens verden hvordan teamet hans får tilgang til ledende materialvitenskap og fabrikasjonsevner til forskningspartnere Element seks å realisere "kvantefordeler" i optiske kommunikasjonssystemer ved bruk av syntetisk diamant.

Hva er hovedmålet for AWS-kvantenettverksprogrammet?

AWS Center for Quantum Networking ligger i Boston, Massachusetts, og har alle verktøyene som trengs for å støtte et uavhengig FoU-initiativ innen kvantekommunikasjon. Som sådan produserer, tester, karakteriserer og optimaliserer vi våre egne enheter for proof-of-concept-testing i langdistanse kvantenettverkseksperimenter. I min rolle leder jeg enhetene og pakketeamet med oppgave å drive oppskalering og integrering av kvantefotonikk (inkludert syntetisk diamantfotonikk) i høyverdige forskningsdemonstratorer av kvantenettverksteknologier i distribusjonsgrad.

Antagelig er samarbeid gitt i et så konkurranseutsatt felt?

Det er obligatorisk. Vi er avhengige av FoU-partnere som kan bringe unike tekniske evner, dyp domenekunnskap og spesialistkunnskap til bordet. Samarbeidet vårt med Element Six, for eksempel, handler om å reimagine og transformere syntetisk diamant som en materialplattform for fotoniske enheter beregnet for applikasjoner i kvanteminner og kvanterepeatere. Kort oppsummert betyr det å gå videre fra der vi er nå – et substrat som er lurt å jobbe med når det kommer til nanofotonisk fabrikasjon – til et materiale som er kompatibelt med skalerbar, reproduserbar og kostnadseffektiv produksjon i halvlederstil.

Hvordan fungerer samarbeidet med Element Six operativt?

Å jobbe med Element Six er et ekte FoU-samarbeid. For det første er det tett integrasjon mellom materialekspertene ved Element Six og kvantefotonikteamet her på AWS. Den kollektive samtalen er nøkkelen til vellykket oversettelse av grunnleggende materialekunnskaper hos Element Six til forbedret ytelse på enhetsnivå.

Alt handler om rørledningen i denne forbindelse: jobben vår hos AWS er ​​å ta diamantsubstratene som Element Six produserer og bruke våre spesialiserte optiske, fabrikasjons-, mikrobølge- og kryogene verktøy for å bedre forstå kvanteytelsen til det materialet når det produseres til fotonisk enheter – spesielt hvordan den optiske emisjonen kartlegger kontra grunnleggende materialegenskaper som dislokasjonstetthet, tøyning, overflateglatthet og lignende.

Hva er de viktigste produksjons- og ingeniørutfordringene når det gjelder å distribuere syntetisk diamant i kvantenettverkssystemer?

Akkurat nå er mye av det vi gjør innen syntetisk diamantfotonikk svært sannsynlig - for eksempel når det gjelder prøverenhet, dannelsen av defekter, den nøyaktige plasseringen av disse defektene og krystallegenskapene til substratmaterialet i makroskala. Kort sagt er det mye forståelse som trengs for å knytte egenskapene som kreves for applikasjonen til materialspesifikasjonene slik at den kan skaleres fullt ut. I samarbeid med Element Six søker AWS å forstå hva faktorene er som gjør syntetisk diamant til kvantekvalitet; også hva grensene går når det gjelder å redusere kostnadene/kompleksiteten ved materialbehandling slik at du får det du trenger, ikke det du ikke trenger.

En ting er sikkert: Element Six forpliktelse til pågående investering i plasma-forbedret kjemisk dampavsetning (PECVD) vekstteknikker vil være avgjørende for design, utvikling og produksjon i stor skala av diamantenheter for kvantenettverksapplikasjoner. Prioriteringene er allerede klare: å forbedre kontrollen over typene defekter som skapes og materialet som inngår under syntetisk diamantvekst; utvide de forskjellige morfologiene til diamanter som kan produseres i skala; og samtidig redusere produksjonskostnadene.

Så sagt på en annen måte: Materialinnovasjon er ingenting uten kontroll?

Det er riktig. Oppgaven fremover er å fjerne alle variabilitetene fra produksjonsprosessen for syntetisk diamant slik at vi kan optimere design, integrasjon og ytelse av kvantefotoniske enheter og undersystemer ute i nettverket. Enda mer grunnleggende: når vi produserer en syntetisk diamant fotonisk enhet i dag, bruker vi de øverste mikronene av en 0.5 mm tykk diamant, så vi må finne måter å være mye mer effektive på. Tenk på produksjonsevne, tenk kostnadsreduksjon og til slutt syntetiske diamantsubstrater som er mer "fabbable" - dvs. kompatible med standard halvlederfremstillingsteknikker.

Hvordan ser veikartet for AWS-teknologi ut i kvantenettverk?

Med tiden skulle det være mulig å distribuere, i volum, diamantfotoniske enheter som inneholder kvanteminner som fungerer som kvanterepeatere – essensielle byggesteiner for det vi kaller «entanglement distribusjonsnettverk». På kort sikt er FoU-prioriteten å samarbeide med selskaper som Element Six for å levere kvantekvalitets syntetiske diamantsubstrater som vil gjøre konstruksjon og systemintegrasjon på enhetsnivå mer pålitelig, skalerbar og nettverksklar. Vårt håp er at fremskritt innen fremstilling av syntetiske diamanter før heller enn senere vil gi nedstrøms teknologiinnovasjoner som gjør AWS kvantekommunikasjonssystemer til et må-ha-verktøy i nettverkssikkerheten og personvernarsenalet til våre bedriftskunder.

Jakten på en kvante "game-changer"

Kvantekvalitets syntetisk diamant blir satt opp for en helt ny rekke fotoniske applikasjoner innen kvantedatabehandling, kvantemetrologi og kvantenettverk – mange av dem har ingen analoger i eksisterende materialer. Det akademiske samfunnet på sin side er fokusert på å presse grensene for hva som kan gjøres med dette materialet, noe som fører til paradigmeskifter i kvanteprestasjoner, mens industrien handler om å ta den nåværende state-of-the-art og finne ut hvordan best å pakke og integrere konstruert syntetisk diamant i neste generasjons kvanteenheter.

Med oversettelse fra forskningslaboratoriet til markedet nå i sentrum, blir målene for suksess for kvantediamantenheter i økende grad definert langs koordinater som pålitelighet, robusthet, produksjonsevne, skalerbarhet og kostnad/ytelse-forhold. Dette skiftet i tankesett og prioritering informerer arbeidet til kvanteutviklingsteamet ved Element Six, som bruker sin patenterte teknologi og kunnskap innen PECVD-produksjon for å produsere, i skala, kvantekvaliteter av enkrystalldiamanter som inneholder kontrollerte nivåer av NV og SiV-spinnsentre for applikasjoner i kvantenettverkssystemer og utover.

"Syntetisk diamant kan tilby spillskiftende løsninger og la våre kunder og partnere gjøre noe som ikke kunne gjøres før – fra å bygge en laser med enestående effekttettheter til en syntetisk diamant "akustisk kuppel" med eksepsjonelt høye frekvensegenskaper," forklarer Daniel Twitchen, sjefteknolog ved Element Six.

"Bart Machielse og teamet hans i AWS er ​​et eksempel," legger han til. "De kom til oss fordi vi gjennom årene har utviklet en stor verktøykasse med innovasjonsevner for syntetiske diamanter. Vår akkumulerte kunnskap stemmer overens med de tekniske utfordringene som må løses for å realisere en diamantkvantenettverksplattform, pluss at vi har demonstrert evnen til å skalere syntetisk diamant inn i et produksjonsmiljø."

Samtidig innser Element Six at nye vekstmarkeder for syntetisk diamant vil kreve løsninger som gjør det lettere for materialet å brukes – innenfor den fremvoksende kvanteforsyningskjeden og andre steder. "Til syvende og sist ligger behovet og muligheten ikke bare i å lage kvantekvalitets syntetisk diamant, men å behandle og integrere den i fotoniske enheter," bemerker Twitchen. "Og ved å gjøre det, reduserer barrierene for bruk av syntetisk diamant."

Akkurat nå er fokuset for Twitchen og hans Element Six-kolleger å skalere selskapets industrielle partnerskap innen kvantenettverk, etter å ha etablert potensialet til syntetisk diamant i akademiske samarbeid med ledende kvantenettverksgrupper på TU Delft i Nederland også MIT og Harvard University i USA.

"Det som har manglet til dags dato," konkluderer Twitchen, "er en stor bransjeaktør som sier at den kan rulle ut kvantekommunikasjonssystemer ved å introdusere en ny generasjon kvantesikre nettverkstjenester for sine kunder. De kommer ikke mye større enn AWS, så det er spennende å slå sammen vår ekspertise innen kvantegradsdiamanter med AWS sin kunnskap innen fotonikk for å gjøre denne visjonen til virkelighet.»

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/