Diamante sintético: como a inovação em materiais está reescrevendo as regras das redes quânticas – Physics World

Enquanto as redes de fibra óptica de hoje distribuem informações clássicas em escalas de comprimento globais, as redes quânticas de um futuro não tão distante explorarão as propriedades exóticas de emaranhamento e superposição para transmitir com segurança informações quânticas entre usuários finais na mesma escala global. Esta capacidade permitirá comunicações criptografadas quânticas para todos os tipos de organizações – desde governos e bancos até prestadores de cuidados de saúde e militares – e abrirá o caminho, inevitavelmente, para a implementação de recursos de computação quântica paralelos em escala, com nós de computação remotos ligados mecanicamente pela rede.

Embora ainda em desenvolvimento, os repetidores quânticos representam uma tecnologia capacitadora central à medida que a Internet quântica surge, servindo uma função semelhante aos amplificadores de fibra em redes ópticas clássicas, corrigindo a perda e a infidelidade que ocorrem à medida que a informação quântica se propaga por longas distâncias (embora sem perturbando o estado quântico da luz à medida que ela passa pela rede).

Os repetidores quânticos operam transferindo informações codificadas em fótons para um qubit de memória estacionária onde as informações podem ser armazenadas e corrigidas. Qubits defeituosos, como centros de cor em diamante sintético, estão se configurando como candidatos confiáveis ​​para esta tarefa porque têm uma interface eficaz com a luz (a fonte de sua cor) e porque esses defeitos podem ter uma memória de “spin” de longa duração. Duas classes de qubits com defeito de diamante são o foco de intenso interesse em P&D a esse respeito: o centro de spin com vacância de nitrogênio (NV) e o centro de spin com vacância de silício (SiV), ambos formados pela remoção de dois átomos de carbono adjacentes de uma rede cristalina de diamante sintético e substituindo-os por um único átomo de nitrogênio ou silício, respectivamente.

Aqui Bart Machielse, cientista sênior de pesquisa quântica do Centro AWS para redes quânticas, conta Mundo da física como sua equipe está acessando os recursos de ponta em ciência de materiais e fabricação do parceiro de pesquisa Elemento Seis obter “vantagem quântica” em sistemas de comunicações ópticas usando diamante sintético.

Qual é o objetivo principal do programa de rede quântica da AWS?

O AWS Center for Quantum Networking está localizado em Boston, Massachusetts, e possui todas as ferramentas necessárias para apoiar uma iniciativa independente de P&D em comunicações quânticas. Como tal, fabricamos, testamos, caracterizamos e otimizamos os nossos próprios dispositivos para testes de prova de conceito em experiências de redes quânticas de longa distância. Na minha função, lidero a equipe de dispositivos e embalagens com a missão de impulsionar a expansão e integração da fotônica quântica (incluindo fotônica de diamante sintético) em demonstradores de pesquisa de alto nível de tecnologias de rede quântica de nível de implantação.

Presumivelmente, a colaboração é um dado adquirido em um campo tão competitivo?

É obrigatório. Contamos com parceiros de P&D que podem trazer capacidades técnicas exclusivas, profundo conhecimento de domínio e know-how especializado. Nossa colaboração com a Element Six, por exemplo, envolve reimaginar e transformar o diamante sintético como uma plataforma material para dispositivos fotônicos destinados a aplicações em memórias quânticas e repetidores quânticos. Em resumo, isso significa progredir de onde estamos agora – um substrato com o qual é difícil trabalhar quando se trata de fabricação nanofotônica – para um material que seja compatível com a fabricação escalonável, reprodutível e econômica do estilo semicondutor.

Como funciona operacionalmente a colaboração com a Element Six?

Trabalhar com a Element Six é uma verdadeira colaboração em P&D. Para começar, há uma forte integração entre os especialistas em materiais da Element Six e a equipe de fotônica quântica aqui na AWS. A conversa coletiva é fundamental para a tradução bem-sucedida do conhecimento básico de materiais da Element Six em um desempenho aprimorado no nível do dispositivo.

Nesse sentido, é tudo uma questão de pipeline: nosso trabalho na AWS é pegar os substratos de diamante que a Element Six produz e aplicar nossas ferramentas ópticas, de fabricação, de micro-ondas e criogênicas especializadas para entender melhor o desempenho quântico desse material quando ele está sendo fabricado em fotônico. dispositivos – em particular, como a emissão óptica é mapeada em relação às propriedades fundamentais dos materiais, como densidade de deslocamento, deformação, suavidade da superfície e similares.

Quais são os principais desafios de fabricação e engenharia quando se trata de implantação de diamante sintético em sistemas de redes quânticas?

No momento, muito do que fazemos na fotônica do diamante sintético é altamente probabilístico – por exemplo, em termos de pureza da amostra, formação de defeitos, localização exata desses defeitos e propriedades cristalinas em macroescala do material do substrato. Em suma, é necessário muito conhecimento para vincular as propriedades exigidas para a aplicação às especificações do material, para que possa ser totalmente dimensionado. Em colaboração com a Element Six, a AWS está buscando entender quais são os fatores que tornam o diamante sintético de qualidade quântica; também quais são os limites quando se trata de reduzir o custo/complexidade do processamento de materiais para que você obtenha o que precisa, e não o que não precisa.

Uma coisa é certa: o compromisso da Element Six com o investimento contínuo em técnicas de crescimento de deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD) será fundamental para o projeto, desenvolvimento e fabricação em escala de dispositivos de diamante para aplicações de redes quânticas. As prioridades já são claras: melhorar o controlo sobre os tipos de defeitos criados e o material incorporado durante o crescimento do diamante sintético; ampliar as diferentes morfologias de diamantes que podem ser produzidos em escala; e simultaneamente reduzindo o custo de fabricação.

Dito de outra forma: a inovação em materiais não é nada sem controle?

Está correto. A tarefa futura é remover todas as variabilidades do processo de fabricação de diamantes sintéticos para que possamos otimizar o projeto, a integração e o desempenho de dispositivos e subsistemas fotônicos quânticos na rede. Ainda mais fundamental: quando fabricamos hoje um dispositivo fotônico de diamante sintético, usamos os poucos mícrons superiores de um diamante de 0.5 mm de espessura, por isso precisamos encontrar maneiras de ser muito mais eficientes. Pense na capacidade de fabricação, na redução de custos e, em última análise, em substratos de diamante sintético que sejam mais “fabricáveis” – ou seja, compatíveis com técnicas padrão de fabricação de semicondutores.

Como é o roteiro da tecnologia AWS em redes quânticas?

Com o tempo, deverá ser possível implantar, em grande volume, dispositivos fotônicos de diamante contendo memórias quânticas que sirvam como repetidores quânticos – blocos de construção essenciais para o que chamamos de “redes de distribuição de emaranhamento”. No curto prazo, a prioridade de P&D é trabalhar com empresas como a Element Six para fornecer substratos de diamante sintético de nível quântico que tornarão a engenharia em nível de dispositivo e a integração de sistemas mais confiáveis, escaláveis ​​e prontas para rede. Nossa esperança é que os avanços na fabricação de diamantes sintéticos produzam, mais cedo ou mais tarde, inovações tecnológicas downstream que tornem os sistemas de comunicação quântica da AWS uma ferramenta obrigatória no arsenal de segurança de rede e privacidade de nossos clientes corporativos.

A busca por uma 'virada de jogo' quântica

O diamante sintético de qualidade quântica está sendo preparado para toda uma nova gama de aplicações fotônicas em computação quântica, metrologia quântica e redes quânticas – muitas das quais não têm análogos nos materiais existentes. A comunidade académica, por sua vez, está focada em ultrapassar os limites do que pode ser feito com este material, levando a mudanças de paradigma no desempenho quântico, enquanto a indústria se preocupa em aproveitar o estado da arte atual e descobrir como melhor empacotar e integrar diamante sintético projetado em dispositivos quânticos de próxima geração.

Com a tradução do laboratório de pesquisa para o mercado agora no centro das atenções, as medidas de sucesso dos dispositivos de diamante quântico são cada vez mais definidas em coordenadas como confiabilidade, robustez, capacidade de fabricação, escalabilidade e relação custo/desempenho. Essa mudança de mentalidade e prioridade informa o trabalho da equipe de desenvolvimento quântico da Element Six, que está aplicando sua tecnologia patenteada e know-how na fabricação de PECVD para produzir, em escala, graus quânticos de diamante monocristalino contendo níveis controlados de NV e Centros de spin SiV para aplicações em sistemas de redes quânticas e muito mais.

“O diamante sintético pode oferecer soluções revolucionárias e permitir que nossos clientes e parceiros façam algo que não poderia ser feito antes – desde a construção de um laser com densidades de potência sem precedentes até uma 'cúpula acústica' de diamante sintético com características de frequência excepcionalmente altas”, explica Daniel Twitchen, tecnólogo-chefe da Element Six.

“Bart Machielse e sua equipe na AWS são um exemplo disso”, acrescenta. “Eles vieram até nós porque, ao longo dos anos, desenvolvemos uma grande caixa de ferramentas de capacidades de inovação em diamantes sintéticos. Nosso know-how acumulado se alinha aos desafios técnicos que devem ser resolvidos para concretizar uma plataforma de rede quântica de diamante, além de demonstrarmos a capacidade de escalar o diamante sintético em um ambiente de produção.”

Ao mesmo tempo, a Element Six percebe que os novos mercados em crescimento para o diamante sintético exigirão soluções que facilitem a utilização do material – dentro da cadeia de abastecimento quântica emergente e noutros locais. “Em última análise, a necessidade e a oportunidade residem não apenas na fabricação de diamantes sintéticos de nível quântico, mas no processamento e integração deles em dispositivos fotônicos”, observa Twitchen. “E, ao fazê-lo, reduzindo as barreiras à adoção do diamante sintético.”

Neste momento, o foco de Twitchen e dos seus colegas da Element Six é ampliar as parcerias industriais da empresa no campo das redes quânticas, tendo já estabelecido o potencial do diamante sintético em colaborações académicas com os principais grupos de redes quânticas em Você delft na Holanda, bem como MIT e Universidade de Harvard nos E.U.A.

“O que falta até agora”, conclui Twitchen, “é um grande player da indústria dizer que pode implementar sistemas de comunicações quânticas introduzindo uma nova geração de serviços de rede quânticos seguros para seus clientes. Eles não são muito maiores que a AWS, por isso é emocionante unir nossa experiência em diamantes de grau quântico com o know-how da AWS em fotônica para tornar essa visão uma realidade.”

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