Syntetisk diamant: hur materialinnovation skriver om reglerna för kvantnätverk – Physics World

Medan dagens fiberoptiska nätverk distribuerar klassisk information över globala längdskalor, kommer kvantnätverken i den inte så avlägsna morgondagen att utnyttja de exotiska egenskaperna för intrassling och superposition för att säkert överföra kvantinformation mellan slutanvändare i samma globala skala. Denna förmåga kommer att möjliggöra kvantkrypterad kommunikation för alla slags organisationer – från regeringar och banker till vårdgivare och militären – och öppna vägen, oundvikligen, för implementering av storskaliga parallella kvantberäkningsresurser, med fjärrdatornoder kopplade till kvantum. mekaniskt över nätverket.

Även om kvantrepeaters fortfarande är under utveckling, representerar kvantrepeaters en kärna som möjliggör teknologi när kvantinternet kommer till synen, och de fyller en liknande funktion som fiberförstärkare i klassiska optiska nätverk genom att korrigera för förlusten och otroheten som uppstår när kvantinformation sprider sig över långa avstånd (men utan stör ljusets kvanttillstånd när det passerar genom nätverket).

Kvantrepeaters fungerar genom att överföra information kodad på fotoner till en stationär minnesqubit där informationen kan lagras och korrigeras. Defekta qubits, såsom färgcentra i syntetisk diamant, formas som trovärdiga kandidater för denna uppgift eftersom de har ett effektivt gränssnitt med ljus (källan till deras färg) och eftersom dessa defekter kan ha ett långlivat "spin"-minne. Två klasser av diamantdefekta qubits är i fokus för intensivt FoU-intresse i detta avseende: kvävevakansspincentret (NV) och kiselvakansspincentret (SiV), som båda bildas genom att avlägsna två intilliggande kolatomer från ett syntetiskt diamantkristallgitter och ersätter dem med en enda kväve- respektive kiselatom.

Här Bart Machielse, senior kvantforskare vid AWS Center for Quantum Networking, berättar Fysikvärlden hur hans team får tillgång till forskningspartners ledande materialvetenskap och tillverkningskapacitet Element sex att realisera "kvantfördelar" i optiska kommunikationssystem som använder syntetisk diamant.

Vad är huvudmålet för AWS kvantnätverksprogram?

AWS Center for Quantum Networking ligger i Boston, Massachusetts, och har alla verktyg som behövs för att stödja ett oberoende FoU-initiativ inom kvantkommunikation. Som sådana tillverkar, testar, karakteriserar och optimerar vi våra egna enheter för proof-of-concept-testning i kvantnätverksexperiment på långa avstånd. I min roll leder jag enhets- och paketeringsteamet med uppdraget att driva uppskalningen och integreringen av kvantfotonik (inklusive syntetisk diamantfotonik) i högkvalitativa forskningsdemonstratorer av kvantnätverkstekniker av kvantnätverk.

Förmodligen är samarbete givet i ett så konkurrensutsatt område?

Det är obligatoriskt. Vi förlitar oss på FoU-partners som kan tillföra unik teknisk kapacitet, djup domänkunskap och specialistkunskap till bordet. Vårt samarbete med Element Six, till exempel, handlar om att omforma och transformera syntetisk diamant som en materialplattform för fotoniska enheter avsedda för tillämpningar i kvantminnen och kvantrepeaters. I korthet innebär det att vi går vidare från där vi är nu – ett substrat som är tjusigt att arbeta med när det kommer till nanofotonisk tillverkning – till ett material som är kompatibelt med skalbar, reproducerbar och kostnadseffektiv tillverkning i halvledarstil.

Hur fungerar samarbetet med Element Six operativt?

Att arbeta med Element Six är ett riktigt FoU-samarbete. Till att börja med är det nära integration mellan materialexperterna på Element Six och kvantfotonikteamet här på AWS. Det kollektiva samtalet är nyckeln till en framgångsrik översättning av grundmaterialkunskapen hos Element Six till förbättrad prestanda på enhetsnivå.

Allt handlar om pipelinen i detta avseende: vårt jobb på AWS är att ta diamantsubstraten som Element Six producerar och använda våra specialiserade optiska, tillverknings-, mikrovågs- ​​och kryogenverktyg för att bättre förstå kvantprestandan hos det materialet när det tillverkas till fotoniska enheter – i synnerhet hur den optiska emissionen kartläggs kontra grundläggande materialegenskaper såsom dislokationsdensitet, töjning, ytjämnhet och liknande.

Vilka är de största tillverknings- och ingenjörsutmaningarna när det gäller att distribuera syntetisk diamant i kvantnätverkssystem?

Just nu är mycket av det vi gör inom syntetisk diamantfotonik högst sannolikhet – till exempel när det gäller provrenhet, bildandet av defekter, den exakta platsen för dessa defekter och kristallegenskaperna i makroskala hos substratmaterialet. Kort sagt, det krävs mycket förståelse för att koppla de egenskaper som krävs för applikationen till materialspecifikationerna så att den kan skalas fullt ut. I samarbete med Element Six försöker AWS förstå vilka faktorer som gör syntetisk diamant till kvantkvalitet; även vilka gränserna går när det gäller att driva ner kostnaden/komplexiteten för materialbearbetning så att du får det du behöver, inte det du inte behöver.

En sak är säker: Element Six engagemang för pågående investeringar i tillväxttekniker för plasmaförstärkt kemisk ångdeposition (PECVD) kommer att vara avgörande för design, utveckling och tillverkning i stor skala av diamantenheter för kvantnätverkstillämpningar. Prioriteringarna är redan klara: förbättra kontrollen över de typer av defekter som skapas och materialet som införlivas under syntetisk diamanttillväxt; utvidga de olika morfologierna hos diamanter som kan produceras i stor skala; och samtidigt minska tillverkningskostnaderna.

Så uttryckt på ett annat sätt: materialinnovation är ingenting utan kontroll?

Det stämmer. Uppgiften framöver är att ta bort alla variationer från tillverkningsprocessen för syntetisk diamant så att vi kan optimera designen, integrationen och prestanda för kvantfotoniska enheter och delsystem ute i nätverket. Ännu mer fundamentalt: när vi tillverkar en fotonisk enhet för syntetisk diamant idag använder vi de översta mikrometerna av en 0.5 mm tjock diamant, så vi måste hitta sätt att bli mycket effektivare. Tänk på tillverkningsbarhet, tänk på kostnadsreduktion och i slutändan syntetiska diamantsubstrat som är mer "fabbable" - dvs kompatibla med standardtekniker för halvledartillverkning.

Hur ser AWS-teknikens färdplan ut inom kvantnätverk?

Med tiden borde det vara möjligt att distribuera, i volym, diamantfotoniska enheter som innehåller kvantminnen som fungerar som kvantrepeterare – väsentliga byggstenar för vad vi kallar "entanglement distribution networks". På kort sikt är FoU-prioriteten att arbeta med företag som Element Six för att leverera kvantkvalitets syntetiska diamantsubstrat som kommer att göra konstruktion och systemintegration på enhetsnivå mer tillförlitlig, skalbar och nätverksanpassad. Vår förhoppning är att framsteg inom tillverkning av syntetisk diamant, förr snarare än senare, kommer att ge nedströms teknologiinnovationer som gör AWS kvantkommunikationssystem till ett måste-ha-verktyg i våra företagskunders nätverkssäkerhet och integritetsarsenal.

Jakten på en kvant "game-changer"

Syntetisk diamant av kvantkvalitet håller på att ställas upp för en helt ny rad fotoniska tillämpningar inom kvantberäkning, kvantmetrologi och kvantnätverk – av vilka många inte har några analoger i befintliga material. Det akademiska samfundet, å sin sida, är fokuserat på att tänja på gränserna för vad som kan göras med detta material, vilket leder till paradigmskiften i kvantprestanda, medan industrin handlar om att ta den nuvarande toppmoderna och ta reda på hur bäst att paketera och integrera konstruerad syntetisk diamant i nästa generations kvantenheter.

Med översättning från forskningslabb till marknaden nu i centrum, definieras framgångsmåtten för kvantdiamantenheter alltmer längs koordinater som tillförlitlighet, robusthet, tillverkningsbarhet, skalbarhet och kostnad/prestanda-förhållande. Denna förändring i tankesätt och prioritering informerar kvantutvecklingsteamet på Element Six, som tillämpar sin patenterade teknologi och know-how inom PECVD-tillverkning för att i stor skala producera kvantkvaliteter av enkristalldiamanter som innehåller kontrollerade nivåer av NV och SiV-spincenter för applikationer i kvantnätverkssystem och vidare.

"Syntetisk diamant kan erbjuda spelförändrande lösningar och tillåta våra kunder och partners att göra något som inte kunde göras tidigare – från att bygga en laser med oöverträffade effekttätheter till en "akustisk kupol" av syntetisk diamant med exceptionellt höga frekvensegenskaper," förklarar Daniel Twitchen, chefsteknolog på Element Six.

"Bart Machielse och hans team på AWS är ett exempel på detta", tillägger han. "De kom till oss för att vi under åren har utvecklat en stor verktygslåda med innovationsmöjligheter för syntetisk diamant. Vårt samlade kunnande ligger i linje med de tekniska utmaningar som måste lösas för att realisera en diamantkvantnätverksplattform, plus att vi har visat förmågan att skala syntetisk diamant till en produktionsmiljö."

Samtidigt inser Element Six att nya tillväxtmarknader för syntetisk diamant kommer att kräva lösningar som gör det lättare för materialet att användas – inom den framväxande kvantförsörjningskedjan och på andra håll. "I slutändan ligger behovet och möjligheten inte bara i att tillverka kvantklassad syntetisk diamant, utan att bearbeta och integrera den i fotoniska enheter", konstaterar Twitchen. "Och på så sätt minskar hindren för adoption av syntetisk diamant."

Just nu är fokus för Twitchen och hans Element Six-kollegor att skala företagets industriella partnerskap inom området kvantnätverk, efter att ha etablerat potentialen för syntetisk diamant i akademiska samarbeten med ledande kvantnätverksgrupper på TU Delft såväl i Nederländerna MIT och Harvard University i USA.

"Det som har saknats hittills," avslutar Twitchen, "är en stor industriaktör som säger att de kan rulla ut kvantkommunikationssystem genom att introducera en ny generation kvantsäkra nätverkstjänster för sina kunder. De är inte mycket större än AWS, så det är spännande att förena vår expertis inom kvantklassad diamant med AWS know-how inom fotonik för att göra denna vision till verklighet.”

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/