Синтетический алмаз: как инновации в материалах переписывают правила квантовых сетей

В то время как сегодняшние оптоволоконные сети распределяют классическую информацию по глобальным масштабам длины, квантовые сети не столь отдаленного завтра будут использовать экзотические свойства запутанности и суперпозиции для безопасной передачи квантовой информации между конечными пользователями в одном и том же глобальном масштабе. Эта возможность позволит обеспечить связь с квантовым шифрованием для всех видов организаций – от правительств и банков до поставщиков медицинских услуг и военных – и неизбежно откроет путь к внедрению масштабных параллельных ресурсов квантовых вычислений с удаленными вычислительными узлами, связанными с квантовыми компьютерами. механически по сети.

Хотя квантовые повторители все еще находятся в стадии разработки, они представляют собой основную технологию, позволяющую с появлением квантового Интернета выполнять ту же функцию, что и оптоволоконные усилители в классических оптических сетях, корректируя потери и неточности, возникающие при распространении квантовой информации на большие расстояния (хотя и без разрушая квантовое состояние света при его прохождении через сеть).

Квантовые повторители работают путем передачи информации, закодированной фотонами, на стационарный кубит памяти, где информация может храниться и корректироваться. Дефектные кубиты, такие как центры окраски в синтетическом алмазе, становятся надежными кандидатами для этой задачи, поскольку они имеют эффективный интерфейс со светом (источником их цвета) и потому что эти дефекты могут иметь долгоживущую «спиновую» память. В этом отношении в центре пристального внимания исследователей и разработок находятся два класса кубитов с алмазными дефектами: спиновый центр азотной вакансии (NV) и спиновый центр кремниевой вакансии (SiV), оба из которых образуются путем удаления двух соседних атомов углерода из кристаллическую решетку синтетического алмаза и замену их одним атомом азота или кремния соответственно.

Здесь Барт Макилс, старший научный сотрудник квантовых исследований в Центр квантовых сетей AWS, рассказывает Мир физики как его команда получает доступ к передовым материалам и производственным возможностям партнера по исследованиям Шестой элемент реализовать «квантовое преимущество» в системах оптической связи с использованием синтетического алмаза.

Какова главная цель программы создания квантовых сетей AWS?

Центр квантовых сетей AWS расположен в Бостоне, штат Массачусетс, и располагает всеми инструментами, необходимыми для поддержки независимых инициатив в области исследований и разработок в области квантовых коммуникаций. Таким образом, мы производим, тестируем, определяем характеристики и оптимизируем наши собственные устройства для проверки концепции в экспериментах с квантовыми сетями на больших расстояниях. В своей роли я возглавляю группу по устройствам и упаковке, в задачу которой входит стимулирование масштабирования и интеграции квантовой фотоники (включая фотонику синтетических алмазов) в полноценные исследовательские демонстрационные разработки квантовых сетевых технологий, предназначенных для развертывания.

Вероятно, сотрудничество является само собой разумеющимся в такой конкурентной сфере?

Это обязательно. Мы полагаемся на партнеров по исследованиям и разработкам, которые могут предложить уникальные технические возможности, глубокие знания предметной области и специальные ноу-хау. Наше сотрудничество с Element Six, например, направлено на переосмысление и преобразование синтетического алмаза в материальную платформу для фотонных устройств, предназначенных для применения в квантовой памяти и квантовых повторителях. Короче говоря, это означает переход от того, где мы находимся сейчас – подложки, с которой сложно работать, когда дело доходит до нанофотонного производства – к материалу, который совместим с масштабируемым, воспроизводимым и экономически эффективным производством полупроводникового типа.

Как осуществляется оперативное сотрудничество с Element Six?

Работа с Element Six — это настоящее сотрудничество в области исследований и разработок. Начнем с того, что существует тесная интеграция между экспертами по материалам Element Six и командой квантовой фотоники здесь, в AWS. Коллективный разговор является ключом к успешному воплощению базовых ноу-хау Element Six в области материалов в повышение производительности на уровне устройства.

В этом отношении все дело в конвейере: наша работа в AWS состоит в том, чтобы взять алмазные подложки, которые производит Element Six, и применить наши специализированные оптические, производственные, микроволновые и криогенные инструменты, чтобы лучше понять квантовые характеристики этого материала, когда он перерабатывается в фотонные технологии. устройств – в частности, как оптическое излучение соотносится с фундаментальными свойствами материалов, такими как плотность дислокаций, деформация, гладкость поверхности и тому подобное.

Каковы основные производственные и инженерные проблемы, связанные с использованием синтетического алмаза в квантовых сетевых системах?

Сейчас многое из того, что мы делаем в фотонике синтетического алмаза, носит высоковероятностный характер – например, с точки зрения чистоты образца, образования дефектов, точного местоположения этих дефектов и макромасштабных кристаллических свойств материала подложки. Короче говоря, необходимо глубокое понимание того, как связать свойства, необходимые для применения, со спецификациями материала, чтобы его можно было полностью масштабировать. В сотрудничестве с Element Six компания AWS пытается понять, каковы факторы, которые определяют квантовый уровень синтетических алмазов; а также каковы ограничения, когда речь идет о снижении стоимости/сложности обработки материалов, чтобы вы получали то, что вам нужно, а не то, что вам не нужно.

Одно можно сказать наверняка: приверженность Element Six постоянным инвестициям в методы выращивания методом плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD) будет иметь решающее значение для проектирования, разработки и крупномасштабного производства алмазных устройств для приложений квантовых сетей. Приоритеты уже ясны: улучшение контроля над типами возникающих дефектов и материала, включенного в процесс выращивания синтетических алмазов; расширение разнообразия морфологий алмазов, которые можно производить в больших масштабах; и одновременно снижая себестоимость производства.

Другими словами: инновации в материалах — ничто без контроля?

Правильно. Задача на будущее — устранить все различия в процессе изготовления синтетических алмазов, чтобы мы могли оптимизировать конструкцию, интеграцию и производительность квантовых фотонных устройств и подсистем в сети. Еще более фундаментально: когда мы сегодня изготавливаем фотонное устройство из синтетического алмаза, мы используем несколько верхних микрон алмаза толщиной 0.5 мм, поэтому нам нужно найти способы быть намного более эффективными. Подумайте о технологичности, подумайте о снижении затрат и, в конечном счете, о подложках из синтетического алмаза, которые являются более «технологичными», то есть совместимыми со стандартными технологиями изготовления полупроводников.

Как выглядит дорожная карта технологий AWS в области квантовых сетей?

Со временем появится возможность массового развертывания алмазных фотонных устройств, содержащих квантовую память, которая служит квантовыми повторителями – важными строительными блоками для того, что мы называем «сетями распределения запутанности». В ближайшей перспективе приоритетом исследований и разработок является сотрудничество с такими компаниями, как Element Six, для создания подложек из синтетических алмазов квантового класса, которые сделают проектирование на уровне устройств и системную интеграцию более надежными, масштабируемыми и готовыми к работе в сети. Мы надеемся, что достижения в области производства синтетических алмазов рано или поздно приведут к появлению технологических инноваций, которые сделают системы квантовой связи AWS незаменимым инструментом в арсенале сетевой безопасности и конфиденциальности наших корпоративных клиентов.

Поиски квантового «переворота игры»

Синтетический алмаз квантового класса разрабатывается для совершенно нового спектра фотонных применений в квантовых вычислениях, квантовой метрологии и квантовых сетях, многие из которых не имеют аналогов в существующих материалах. Академическое сообщество, со своей стороны, сосредоточено на расширении границ того, что можно сделать с этим материалом, что приводит к сдвигам парадигмы квантовых характеристик, в то время как промышленность сосредоточена на том, чтобы воспользоваться текущим уровнем развития техники и выяснить, как лучше всего упаковывать и интегрировать искусственный синтетический алмаз в квантовые устройства следующего поколения.

Поскольку переход от исследовательской лаборатории к рынку теперь находится в центре внимания, критерии успеха устройств с квантовыми алмазами все чаще определяются по таким координатам, как надежность, надежность, технологичность, масштабируемость и соотношение цена/производительность. Этот сдвиг в мышлении и приоритетах влияет на работу группы квантовых разработчиков в Element Six, которая применяет свою запатентованную технологию и ноу-хау в производстве PECVD для производства в больших масштабах квантовых сортов монокристаллического алмаза, содержащих контролируемые уровни NV и Спиновые центры SiV для приложений в квантовых сетевых системах и за ее пределами.

«Синтетические алмазы могут предложить революционные решения и позволить нашим клиентам и партнерам делать то, что раньше было невозможно сделать – от создания лазера с беспрецедентной плотностью мощности до «акустического купола» из синтетического алмаза с исключительно высокочастотными характеристиками», – объясняет Дэниел Твитчен, главный технолог Element Six.

«Барт Макилс и его команда в AWS являются ярким примером», — добавляет он. «Они пришли к нам, потому что за прошедшие годы мы разработали большой набор инструментов для инновационных возможностей в области синтетических алмазов. Наши накопленные ноу-хау соответствуют техническим задачам, которые необходимо решить для реализации алмазной квантовой сетевой платформы, плюс мы продемонстрировали способность масштабировать синтетический алмаз в производственную среду».

В то же время Element Six осознает, что новые растущие рынки синтетических алмазов потребуют решений, которые упростят использование материала – в рамках формирующейся квантовой цепочки поставок и в других местах. «В конечном счете, необходимость и возможности заключаются не только в создании синтетического алмаза квантового качества, но и в его обработке и интеграции в фотонные устройства», — отмечает Твитчен. «И тем самым уменьшая барьеры для внедрения синтетических алмазов».

В настоящее время целью Twitchen и его коллег из Element Six является расширение промышленного партнерства компании в области квантовых сетей, поскольку они уже установили потенциал синтетического алмаза в академическом сотрудничестве с ведущими группами квантовых сетей в Вы дельфтируете в Нидерландах, а также MIT и Гарвардский университет в США.

«Чего на сегодняшний день не хватает, — заключает Твитчен, — так это крупного игрока отрасли, заявляющего, что он может развернуть системы квантовой связи, представив новое поколение квантово-безопасных сетевых услуг для своих клиентов. Они не намного крупнее AWS, поэтому интересно объединить наш опыт в области алмазов квантового качества с ноу-хау AWS в фотонике, чтобы воплотить эту идею в жизнь».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/