Diamantul sintetic: cum inovația materialelor rescrie regulile rețelelor cuantice – Physics World

În timp ce rețelele de fibră optică de astăzi distribuie informațiile clasice la scară globală de lungime, rețelele cuantice de mâine nu atât de îndepărtat vor exploata proprietățile exotice ale încurcăturii și suprapunerii pentru a transmite în siguranță informații cuantice între utilizatorii finali la aceeași scară globală. Această capacitate va permite comunicații criptate cuantice pentru toate tipurile de organizații – de la guverne și bănci la furnizori de servicii medicale și armate – și va deschide calea, inevitabil, către implementarea resurselor de calcul cuantic paralel la scară, cu noduri de calcul la distanță legate mecanic în rețea.

Deși sunt încă în curs de dezvoltare, repetoarele cuantice reprezintă o tehnologie de bază, pe măsură ce internetul cuantic apare, având o funcție similară cu amplificatoarele cu fibră în rețelele optice clasice, corectând pierderile și infidelitatea care apar pe măsură ce informațiile cuantice se propagă pe distanțe lungi (deși fără perturbând starea cuantică a luminii pe măsură ce aceasta trece prin rețea).

Repetoarele cuantice funcționează prin transferul de informații codificate pe fotoni pe un qubit de memorie staționar unde informațiile pot fi stocate și corectate. Qubiții defect, cum ar fi centrele de culoare din diamantul sintetic, se conturează drept candidați credibili pentru această sarcină, deoarece au o interfață eficientă cu lumina (sursa culorii lor) și pentru că aceste defecte pot avea o memorie de „învârtire” de lungă durată. Două clase de qubiți cu defecte de diamant sunt în centrul interesului intens al cercetării și dezvoltării în această privință: centrul de spin vacant de azot (NV) și centrul de spin vacant de siliciu (SiV), ambele formate prin îndepărtarea a doi atomi de carbon adiacenți din o rețea cristalină de diamant sintetic și înlocuirea lor cu un singur atom de azot sau, respectiv, de siliciu.

Aici Bart Machielse, cercetător cuantic senior la AWS Center for Quantum Networking, spune Lumea fizicii modul în care echipa sa accesează știința materialelor de vârf și capacitățile de fabricație ale partenerului de cercetare Elementul șase pentru a realiza „avantaj cuantic” în sistemele de comunicații optice folosind diamant sintetic.

Care este obiectivul principal pentru programul de rețea cuantică AWS?

AWS Center for Quantum Networking este situat în Boston, Massachusetts și are toate instrumentele necesare pentru a sprijini o inițiativă independentă de cercetare și dezvoltare în comunicațiile cuantice. Ca atare, fabricăm, testăm, caracterizăm și optimizăm propriile noastre dispozitive pentru testarea dovadă a conceptului în experimente de rețele cuantice la distanță lungă. În rolul meu, conduc echipa de dispozitive și ambalare cu misiunea de a stimula extinderea și integrarea fotonicii cuantice (inclusiv fotonica cu diamante sintetice) în demonstratorii de cercetare de înaltă calitate a tehnologiilor de rețele cuantice de nivel de implementare.

Probabil, colaborarea este un dat într-un domeniu atât de competitiv?

Este obligatoriu. Ne bazăm pe parteneri de cercetare și dezvoltare care pot aduce capacități tehnice unice, cunoștințe aprofundate în domeniu și know-how de specialitate. Colaborarea noastră cu Element Six, de exemplu, se referă la reimaginarea și transformarea diamantului sintetic ca platformă materială pentru dispozitive fotonice destinate aplicațiilor în memorii cuantice și repetoare cuantice. Pe scurt, asta înseamnă să progresăm de unde ne aflăm acum – un substrat cu care este dificil de lucrat când vine vorba de fabricarea nanofotonică – la un material care este compatibil cu producția de tip semiconductor scalabilă, reproductibilă și rentabilă.

Cum funcționează operațional colaborarea cu Element Six?

Lucrul cu Element Six este o adevărată colaborare în cercetare și dezvoltare. Pentru început, există o integrare strânsă între experții în materiale de la Element Six și echipa de fotonică cuantică de la AWS. Conversația colectivă este cheia pentru traducerea cu succes a cunoștințelor de bază privind materialele de la Element Six în performanțe îmbunătățite la nivel de dispozitiv.

În acest sens, este vorba despre conductă: misiunea noastră la AWS este să luăm substraturile de diamant pe care le produce Element Six și să aplicăm instrumentele noastre optice, de fabricație, de microunde și criogenice pentru a înțelege mai bine performanța cuantică a acelui material atunci când este fabricat în fotonic. dispozitive – în special, modul în care emisiile optice se raportează în raport cu proprietățile fundamentale ale materialelor, cum ar fi densitatea de dislocare, deformarea, netezimea suprafeței și altele asemenea.

Care sunt principalele provocări de producție și inginerie atunci când vine vorba de implementarea diamantului sintetic în sistemele de rețele cuantice?

În prezent, multe din ceea ce facem în fotonica diamantelor sintetice este foarte probabilistic – de exemplu, în ceea ce privește puritatea probei, formarea defectelor, locația exactă a acelor defecte și proprietățile cristalului la scară macro a materialului substratului. Pe scurt, este nevoie de multă înțelegere pentru a lega proprietățile necesare aplicației de specificațiile materialului, astfel încât să poată fi scalat pe deplin. În colaborare cu Element Six, AWS încearcă să înțeleagă care sunt factorii care fac diamantul sintetic de calitate cuantică; de asemenea, care sunt limitele atunci când vine vorba de a reduce costul/complexitatea procesării materialelor, astfel încât să obțineți ceea ce aveți nevoie, nu ceea ce nu aveți nevoie.

Un lucru este cert: angajamentul Element Six de a investi în curs de desfășurare în tehnici de creștere a depunerilor chimice de vapori îmbunătățite cu plasmă (PECVD) va fi esențial pentru proiectarea, dezvoltarea și fabricarea la scară a dispozitivelor cu diamant pentru aplicații de rețele cuantice. Prioritățile sunt deja clare: îmbunătățirea controlului asupra tipurilor de defecte create și a materialului încorporat în timpul creșterii diamantelor sintetice; lărgirea diferitelor morfologii ale diamantelor care pot fi produse la scară; și simultan reducerea costurilor de producție.

Deci, altfel spus: inovarea materialelor nu este nimic fără control?

Este corect. Sarcina viitoare este de a elimina toate variabilitățile din procesul de fabricare a diamantelor sintetice, astfel încât să putem optimiza proiectarea, integrarea și performanța dispozitivelor și subsistemelor fotonice cuantice din rețea. Și mai fundamental: atunci când fabricăm un dispozitiv fotonic cu diamant sintetic astăzi, folosim primii câțiva microni ai unui diamant de 0.5 mm grosime, așa că trebuie să găsim modalități de a fi mult mai eficienți. Gândiți-vă la fabricabilitate, gândiți-vă la reducerea costurilor și, în cele din urmă, la substraturi de diamant sintetice care sunt mai „fababile” – adică compatibile cu tehnicile standard de fabricare a semiconductoarelor.

Cum arată foaia de parcurs tehnologică AWS în rețelele cuantice?

În timp, ar trebui să fie posibilă desfășurarea, în volum, a dispozitivelor fotonice cu diamante care conțin memorii cuantice care servesc drept repetoare cuantice - blocuri de construcție esențiale pentru ceea ce numim „rețele de distribuție a încrucișării”. Pe termen scurt, prioritatea cercetării și dezvoltării este de a lucra cu companii precum Element Six pentru a furniza substraturi de diamant sintetic de grad cuantic care vor face ingineria la nivel de dispozitiv și integrarea sistemelor mai fiabile, scalabile și pregătite pentru rețea. Speranța noastră este că progresele în fabricarea diamantelor sintetice vor genera, mai devreme decât mai târziu, inovații tehnologice în aval care fac din sistemele de comunicații cuantice AWS un instrument obligatoriu în arsenalul de securitate și confidențialitate a rețelei al clienților noștri corporativi.

Căutarea unui „schimbător de joc” cuantic

Diamantul sintetic de calitate cuantică este pregătit pentru o gamă complet nouă de aplicații fotonice în calculul cuantic, metrologia cuantică și rețelele cuantice – multe dintre ele nu au analogi în materialele existente. Comunitatea academică, la rândul ei, se concentrează pe împingerea limitelor a ceea ce se poate face cu acest material, ceea ce duce la schimbări de paradigmă în performanța cuantică, în timp ce industria se ocupă de a lua stadiul actual al tehnicii și de a afla cum Cel mai bine este să împachetați și să integrați diamantul sintetic proiectat în dispozitivele cuantice de ultimă generație.

Cu traducerea de la laboratorul de cercetare la piață acum în prim plan, măsurile de succes pentru dispozitivele cu diamante cuantice sunt din ce în ce mai definite în funcție de coordonate precum fiabilitatea, robustețea, fabricabilitatea, scalabilitatea și raportul cost/performanță. Această schimbare a mentalității și a priorității informează munca echipei de dezvoltare cuantică de la Element Six, care își aplică tehnologia și know-how patentat în fabricarea PECVD pentru a produce, la scară, grade cuantice de diamant monocristal care conțin niveluri controlate de NV și Centre de spin SiV pentru aplicații în sisteme de rețele cuantice și nu numai.

„Diamantul sintetic poate oferi soluții care schimbă jocul și le permite clienților și partenerilor noștri să facă ceva ce nu se putea face înainte – de la construirea unui laser cu densități de putere fără precedent până la un „dom acustic” de diamant sintetic cu caracteristici de frecvență excepțional de înaltă”, explică. Daniel Twitchen, tehnolog șef la Element Six.

„Bart Machielse și echipa sa de la AWS sunt un exemplu concret”, adaugă el. „Au venit la noi pentru că, de-a lungul anilor, am dezvoltat o cutie mare de instrumente de capacități de inovare a diamantelor sintetice. Know-how-ul nostru acumulat se aliniază cu provocările tehnice care trebuie rezolvate pentru a realiza o platformă de rețea cuantică de diamant, plus că am demonstrat capacitatea de a scala diamantul sintetic într-un mediu de producție.”

În același timp, Element Six realizează că noile piețe de creștere pentru diamantele sintetice vor necesita soluții care să faciliteze utilizarea materialului – în lanțul de aprovizionare cuantic emergent și în alte părți. „În cele din urmă, nevoia și oportunitatea nu constă doar în fabricarea de diamante sintetice de calitate cuantică, ci în procesarea și integrarea acestuia în dispozitivele fotonice”, notează Twitchen. „Și, făcând acest lucru, reducând barierele pentru adoptarea diamantului sintetic.”

În acest moment, accentul pentru Twitchen și colegii săi Element Six este să extindă parteneriatele industriale ale companiei în domeniul rețelelor cuantice, după ce au stabilit deja potențialul diamantului sintetic în colaborări academice cu grupuri de top de rețele cuantice de la Tu delft în Olanda precum şi MIT și Universitatea Harvard in Statele Unite ale Americii.

„Ceea ce a lipsit până în prezent”, conchide Twitchen, „este un mare jucător din industrie care spune că poate implementa sisteme de comunicații cuantice prin introducerea unei noi generații de servicii de rețea cuantic-secure pentru clienții săi. Nu vin cu mult mai mari decât AWS, așa că este interesant să punem în comun experiența noastră în diamante de calitate cuantică cu know-how-ul AWS în fotonică pentru a face această viziune o realitate.”

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/