Sintetični diamant: kako inovacije materialov na novo pišejo pravila kvantnega mreženja – Svet fizike

Medtem ko današnja omrežja z optičnimi vlakni distribuirajo klasične informacije po globalnih lestvicah dolžine, bodo kvantna omrežja ne tako oddaljenega jutri izkoriščala eksotične lastnosti prepletanja in superpozicije za varen prenos kvantnih informacij med končnimi uporabniki v istem globalnem merilu. Ta zmožnost bo omogočila kvantno šifrirano komunikacijo za vse vrste organizacij – od vlad in bank do ponudnikov zdravstvenega varstva in vojske – ter neizogibno odprla pot implementaciji vzporednih kvantnih računalniških virov na velikem nivoju z oddaljenimi računalniškimi vozlišči, ki so kvantno povezana mehansko po omrežju.

Čeprav so še vedno v razvoju, kvantni repetitorji predstavljajo osrednjo tehnologijo, ki omogoča, ko se pojavi kvantni internet, in služijo podobni funkciji kot optični ojačevalniki v klasičnih optičnih omrežjih, tako da popravljajo izgubo in nezvestobo, ki nastane pri širjenju kvantnih informacij na velike razdalje (čeprav brez motnje kvantnega stanja svetlobe, ko ta prehaja skozi omrežje).

Kvantni repetitorji delujejo s prenosom informacij, kodiranih na fotonih, na stacionarni pomnilniški kubit, kjer se lahko informacije shranijo in popravijo. Napačni kubiti, kot so barvna središča v sintetičnem diamantu, se oblikujejo kot verodostojni kandidati za to nalogo, ker imajo učinkovit vmesnik s svetlobo (vir njihove barve) in ker imajo lahko te napake dolgotrajen "vrtilni" spomin. Dva razreda kubitov z diamantno napako sta v središču intenzivnega zanimanja za raziskave in razvoj v zvezi s tem: vrtilni center za prosti prostor dušika (NV) in vrtilni center za prosti prostor za silicij (SiV), oba nastaneta z odstranitvijo dveh sosednjih atomov ogljika iz kristalno mrežo sintetičnega diamanta in njihovo zamenjavo z enim atomom dušika oziroma silicija.

Tukaj je Bart Machielse, višji znanstvenik za kvantne raziskave pri AWS Center za kvantno mreženje, pove Svet fizike kako njegova ekipa dostopa do vrhunske znanosti o materialih in zmogljivosti izdelave raziskovalnega partnerja Element šesti uresničiti "kvantno prednost" v optičnih komunikacijskih sistemih z uporabo sintetičnega diamanta.

Kaj je glavni cilj programa kvantnega mreženja AWS?

Center AWS za kvantno mreženje se nahaja v Bostonu v Massachusettsu in ima vsa potrebna orodja za podporo neodvisne pobude za raziskave in razvoj na področju kvantnih komunikacij. Kot taki izdelujemo, testiramo, karakteriziramo in optimiziramo lastne naprave za testiranje dokaza koncepta v eksperimentih kvantnega mreženja na dolge razdalje. V svoji vlogi vodim skupino za naprave in embalažo s pooblastilom za spodbujanje povečanja obsega in integracije kvantne fotonike (vključno s fotoniko s sintetičnimi diamanti) v visokokakovostnih raziskovalnih demonstratorjih kvantnih omrežnih tehnologij za uvajanje.

Verjetno je sodelovanje samoumevno na tako konkurenčnem področju?

To je obvezno. Zanašamo se na partnerje za raziskave in razvoj, ki lahko na mizo prinesejo edinstvene tehnične zmogljivosti, globoko poznavanje področja in strokovno znanje. Naše sodelovanje z Elementom Six, na primer, je namenjeno preoblikovanju in preoblikovanju sintetičnega diamanta kot materialne platforme za fotonske naprave, namenjene uporabi v kvantnih spominih in kvantnih repetitorjih. Na kratko, to pomeni napredek od mesta, kjer smo zdaj – substrat, s katerim je težko delati, ko gre za nanofotonsko izdelavo – do materiala, ki je združljiv z razširljivo, ponovljivo in stroškovno učinkovito proizvodnjo v slogu polprevodnikov.

Kako operativno poteka sodelovanje z Element Six?

Delo z Element Six je resnično sodelovanje pri raziskavah in razvoju. Za začetek obstaja tesna integracija med strokovnjaki za materiale pri Element Six in ekipo za kvantno fotoniko tukaj pri AWS. Skupni pogovor je ključnega pomena za uspešen prenos znanja in izkušenj o osnovnih materialih pri Element Six v izboljšano zmogljivost na ravni naprave.

V zvezi s tem gre za cevovod: naša naloga pri AWS je vzeti diamantne substrate, ki jih proizvaja Element Six, in uporabiti naša specializirana optična, proizvodna, mikrovalovna in kriogena orodja za boljše razumevanje kvantne zmogljivosti tega materiala, ko se izdeluje v fotonske naprave – zlasti, kako se optična emisija preslika v primerjavi s temeljnimi lastnostmi materialov, kot so gostota dislokacij, deformacija, gladkost površine in podobno.

Kateri so glavni proizvodni in inženirski izzivi, ko gre za uvajanje sintetičnega diamanta v kvantne omrežne sisteme?

Trenutno je veliko tega, kar počnemo v fotoniki s sintetičnimi diamanti, zelo verjetnostno – na primer v smislu čistosti vzorca, nastajanja napak, natančne lokacije teh napak in kristalnih lastnosti substrata na makro ravni. Skratka, potrebno je veliko razumevanja za povezavo lastnosti, potrebnih za aplikacijo, s specifikacijami materiala, tako da jo je mogoče v celoti prilagoditi. V sodelovanju z Elementom Six si AWS prizadeva razumeti, kateri so dejavniki, zaradi katerih je sintetični diamant kvantne kakovosti; tudi, kakšne so meje, ko gre za znižanje stroškov/zapletenosti obdelave materialov, tako da dobite tisto, kar potrebujete, in ne tistega, česar ne potrebujete.

Ena stvar je gotova: zavezanost Elementa Six k nenehnemu vlaganju v tehnike rasti s kemičnim naparjevanjem, izboljšanim s plazmo (PECVD), bo ključnega pomena za načrtovanje, razvoj in izdelavo diamantnih naprav v velikem obsegu za aplikacije kvantnega omrežja. Prednostne naloge so že jasne: izboljšanje nadzora nad vrstami ustvarjenih napak in materialom, vgrajenim med rastjo sintetičnega diamanta; razširitev različnih morfologij diamantov, ki jih je mogoče proizvesti v velikem obsegu; in hkrati zniževanje stroškov izdelave.

Povedano drugače: inovacija materialov ni nič brez nadzora?

To je prav. Naloga, ki gre naprej, je odstraniti vse variabilnosti iz procesa izdelave sintetičnega diamanta, tako da lahko optimiziramo zasnovo, integracijo in delovanje kvantnih fotonskih naprav in podsistemov v omrežju. Še bolj temeljno: ko danes izdelujemo fotonsko napravo s sintetičnim diamantom, uporabimo zgornjih nekaj mikronov diamanta debeline 0.5 mm, zato moramo najti načine, kako biti veliko učinkovitejši. Pomislite na možnost izdelave, zmanjšanje stroškov in navsezadnje sintetične diamantne substrate, ki so bolj »fabbable« – tj. združljivi s standardnimi tehnikami izdelave polprevodnikov.

Kako je videti tehnološki načrt AWS v kvantnem mreženju?

Sčasoma bi moralo biti mogoče množično razmestiti diamantne fotonske naprave, ki vsebujejo kvantne pomnilnike, ki služijo kot kvantni repetitorji – bistveni gradniki za to, čemur pravimo »prepletena distribucijska omrežja«. Bližnji rok je prednostna naloga raziskav in razvoja sodelovanje s podjetji, kot je Element Six, pri dobavi substratov sintetičnih diamantov kvantnega razreda, ki bodo naredili inženiring na ravni naprave in sistemsko integracijo bolj zanesljivo, razširljivo in pripravljeno na omrežje. Upamo, da bo napredek pri izdelavi sintetičnih diamantov prej kot slej prinesel tehnološke inovacije na nižji stopnji, zaradi katerih bodo kvantni komunikacijski sistemi AWS postali nujno orodje v omrežni varnosti in arzenalu zasebnosti naših poslovnih strank.

Iskanje kvantnega "spreminjalca iger"

Sintetični diamant kvantne kakovosti se pripravlja za povsem nov nabor fotonskih aplikacij v kvantnem računalništvu, kvantnem meroslovju in kvantnem mreženju – od katerih mnogi nimajo analogov v obstoječih materialih. Akademska skupnost je na svoji strani osredotočena na premikanje meja tega, kar je mogoče storiti s tem materialom, kar vodi do sprememb paradigme kvantne zmogljivosti, medtem ko je industrija namenjena sprejemanju trenutnega stanja tehnike in ugotavljanju, kako najboljše za pakiranje in integracijo izdelanega sintetičnega diamanta v kvantne naprave naslednje generacije.

S prevajanjem iz raziskovalnega laboratorija na trg, ki je zdaj v ospredju, so merila uspeha za kvantne diamantne naprave vedno bolj opredeljena vzdolž koordinat, kot so zanesljivost, robustnost, izdelljivost, razširljivost in razmerje med ceno in zmogljivostjo. Ta premik v miselnosti in prednostnih nalogah je osnova za delo kvantne razvojne ekipe pri Element Six, ki uporablja svojo patentirano tehnologijo in znanje pri izdelavi PECVD za proizvodnjo v velikem obsegu kvantnih razredov enokristalnega diamanta, ki vsebuje nadzorovane ravni NV in SiV spin centri za aplikacije v kvantnih omrežnih sistemih in širše.

»Sintetični diamant lahko ponudi rešitve, ki spreminjajo igro, in omogoči našim strankam in partnerjem, da naredijo nekaj, kar prej ni bilo mogoče – od izdelave laserja z gostoto moči brez primere do 'akustične kupole' iz sintetičnega diamanta z izjemno visokofrekvenčnimi lastnostmi,« pojasnjuje. Daniel Twitchen, glavni tehnolog pri Element Six.

»Bart Machielse in njegova ekipa pri AWS sta primer tega,« dodaja. »K nam so prišli, ker smo z leti razvili obsežen nabor orodij inovacijskih zmogljivosti za sintetične diamante. Naše zbrano znanje in izkušnje se ujemajo s tehničnimi izzivi, ki jih je treba rešiti za uresničitev diamantne kvantne omrežne platforme, poleg tega smo dokazali zmožnost razširitve sintetičnega diamanta v proizvodno okolje.«

Hkrati se Element Six zaveda, da bodo novi rastoči trgi za sintetični diamant zahtevali rešitve, ki bodo olajšale uporabo materiala – znotraj nastajajoče kvantne dobavne verige in drugje. "Navsezadnje potreba in priložnost nista le v izdelavi sintetičnega diamanta kvantne kakovosti, temveč v njegovi obdelavi in ​​integraciji v fotonske naprave," ugotavlja Twitchen. "In s tem zmanjšanje ovir za sprejetje sintetičnega diamanta."

Trenutno se Twitchen in njegovi kolegi iz Element Six osredotočajo na razširitev industrijskih partnerstev podjetja na področju kvantnega mreženja, saj so že ugotovili potencial sintetičnega diamanta v akademskem sodelovanju z vodilnimi skupinami za kvantno mreženje na Delft na Nizozemskem pa tudi MIT in Harvard University v ZDA.

»Kar je do danes manjkalo,« zaključuje Twitchen, »je velik igralec v industriji, ki pravi, da lahko uvede kvantne komunikacijske sisteme z uvedbo nove generacije kvantno varnih omrežnih storitev za svoje stranke. Niso veliko večji od AWS, zato je vznemirljivo združiti naše strokovno znanje in izkušnje na področju diamantov kvantne kakovosti z AWS-jevim znanjem in izkušnjami na področju fotonike, da bi to vizijo uresničili.”

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/