Sentetik elmas: Malzeme inovasyonu kuantum ağının kurallarını nasıl yeniden yazıyor? - Fizik Dünyası

Günümüzün fiber optik ağları klasik bilgiyi küresel uzunluk ölçekleri boyunca dağıtırken, çok da uzak olmayan yarının kuantum ağları, aynı küresel ölçekte son kullanıcılar arasında kuantum bilgisini güvenli bir şekilde iletmek için dolaşma ve süperpozisyon gibi egzotik özelliklerden yararlanacak. Bu yetenek, hükümetler ve bankalardan sağlık hizmeti sağlayıcılarına ve orduya kadar her türden kuruluş için kuantum şifreli iletişimi mümkün kılacak ve kuantum bağlantılı uzak bilgi işlem düğümleri ile kaçınılmaz olarak uygun ölçekte paralel kuantum hesaplama kaynaklarının uygulanmasının yolunu açacak. ağ üzerinden mekanik olarak.

Hala geliştirilme aşamasında olmasına rağmen, kuantum tekrarlayıcılar, kuantum internetin ortaya çıkmasıyla birlikte temel olanak sağlayan bir teknolojiyi temsil eder ve kuantum bilgisinin uzun mesafeler boyunca yayılmasıyla ortaya çıkan kayıp ve sadakatsizliği düzelterek klasik optik ağlardaki fiber amplifikatörlerle benzer bir işlev görür (gerçi bunlar olmadan). ağdan geçerken ışığın kuantum durumunu bozar).

Kuantum tekrarlayıcılar, fotonlar üzerinde kodlanan bilgileri, bilgilerin saklanıp düzeltilebileceği sabit bir bellek kübitine aktararak çalışır. Sentetik elmastaki renk merkezleri gibi kusurlu kübitler, ışıkla (renklerinin kaynağı) etkili bir arayüze sahip olmaları ve bu kusurların uzun ömürlü bir "döndürme" hafızasına sahip olabilmesi nedeniyle bu görev için güvenilir adaylar olarak şekilleniyor. Elmas kusurlu kübitlerin iki sınıfı bu bağlamda yoğun Ar-Ge ilgisinin odak noktasıdır: nitrojen-boşluk spin merkezi (NV) ve silikon-boşluk spin merkezi (SiV), her ikisi de iki bitişik karbon atomunun sentetik bir elmas kristal kafesi ve bunların sırasıyla tek bir nitrojen veya silikon atomu ile değiştirilmesi.

İşte Bart Machielse, kıdemli kuantum araştırma bilimcisi AWS Kuantum Ağ Merkezi, anlatır Fizik dünyası ekibinin araştırma ortağının en ileri malzeme bilimi ve üretim yeteneklerine nasıl eriştiği Altıncı Eleman sentetik elmas kullanan optik iletişim sistemlerinde “kuantum avantajını” gerçekleştirmek.

AWS kuantum ağ oluşturma programının ana hedefi nedir?

AWS Kuantum Ağı Merkezi, Boston, Massachusetts'te bulunmaktadır ve kuantum iletişiminde bağımsız bir Ar-Ge girişimini desteklemek için gereken tüm araçlara sahiptir. Bu nedenle, uzun mesafeli kuantum ağ deneylerinde kavram kanıtlama testleri için kendi cihazlarımızı üretiyor, test ediyor, karakterize ediyor ve optimize ediyoruz. Görevimde, konuşlandırma düzeyinde kuantum ağ teknolojilerinin yüksek dereceli araştırma göstericilerinde kuantum fotoniklerinin (sentetik elmas fotonikleri dahil) ölçeklendirilmesini ve entegrasyonunu teşvik etme göreviyle cihazlara ve paketleme ekibine liderlik ediyorum.

Muhtemelen böylesine rekabetçi bir alanda işbirliği kaçınılmazdır?

Zorunlu. Benzersiz teknik yetenekleri, derin alan bilgisini ve uzmanlık bilgisini masaya getirebilecek Ar-Ge ortaklarımıza güveniyoruz. Örneğin Element Six ile olan işbirliğimiz, sentetik elması, kuantum hafızaları ve kuantum tekrarlayıcılardaki uygulamalara yönelik fotonik cihazlar için malzeme platformu olarak yeniden tasarlamak ve dönüştürmekle ilgilidir. Kısaca bu, şu anda bulunduğumuz yerden (nanofotonik üretim söz konusu olduğunda üzerinde çalışılması zor bir alt tabaka) ölçeklenebilir, tekrar üretilebilir ve uygun maliyetli yarı iletken tarzı üretimle uyumlu bir malzemeye doğru ilerlemek anlamına geliyor.

Element Six ile işbirliği operasyonel olarak nasıl çalışıyor?

Element Six ile çalışmak gerçek bir Ar-Ge işbirliğidir. Başlangıç ​​olarak, Element Six'teki malzeme uzmanları ile AWS'deki kuantum fotonik ekibi arasında sıkı bir entegrasyon var. Toplu görüşme, Element Six'teki temel malzeme teknik bilgisinin gelişmiş cihaz düzeyinde performansa başarılı bir şekilde dönüştürülmesinin anahtarıdır.

Bu bağlamda her şey boru hattıyla ilgili: AWS'deki işimiz, Element Six'in ürettiği elmas substratları almak ve bu malzemenin fotonik olarak üretilirken kuantum performansını daha iyi anlamak için uzman optik, fabrikasyon, mikrodalga ve kriyojenik araçlarımızı uygulamaktır. cihazlar – özellikle optik emisyonun dislokasyon yoğunluğu, gerinim, yüzey düzgünlüğü ve benzeri gibi temel malzeme özelliklerine göre nasıl haritalandığı.

Sentetik elmasın kuantum ağ sistemlerinde kullanılması söz konusu olduğunda temel üretim ve mühendislik zorlukları nelerdir?

Şu anda, sentetik elmas fotoniğinde yaptığımız pek çok şey oldukça olasılığa dayalı; örneğin numune saflığı, kusurların oluşumu, bu kusurların tam konumu ve substrat malzemesinin makro ölçekli kristal özellikleri açısından. Kısacası, uygulamanın tam olarak ölçeklenebilmesi için uygulama için gereken özellikleri malzeme spesifikasyonlarına bağlamak için çok fazla anlayışa ihtiyaç vardır. AWS, Element Six ile işbirliği içinde sentetik elmasın kuantum dereceli olmasını sağlayan faktörlerin neler olduğunu anlamaya çalışıyor; Ayrıca, ihtiyaç duymadığınızı değil, ihtiyacınız olanı elde edebilmeniz için malzeme işlemenin maliyetini/karmaşıklığını azaltma konusunda sınırlar nelerdir?

Kesin olan bir şey var: Element Six'in plazmayla geliştirilmiş kimyasal buhar biriktirme (PECVD) büyüme tekniklerine devam eden yatırımına olan bağlılığı, kuantum ağ oluşturma uygulamaları için elmas cihazların tasarımı, geliştirilmesi ve ölçekli imalatı için kritik öneme sahip olacaktır. Öncelikler zaten açık: sentetik elmas büyütme sırasında oluşturulan kusur türleri ve eklenen malzeme üzerindeki kontrolün iyileştirilmesi; belirli ölçekte üretilebilecek elmasların farklı morfolojilerinin genişletilmesi; ve aynı zamanda üretim maliyetini de azaltır.

Başka bir deyişle: Malzeme inovasyonu kontrol olmadan hiçbir şey midir?

Bu doğru. Önümüzdeki görev, ağdaki kuantum fotonik cihazların ve alt sistemlerin tasarımını, entegrasyonunu ve performansını optimize edebilmemiz için sentetik elmas üretim sürecindeki tüm değişkenlikleri ortadan kaldırmaktır. Daha da temel olanı: Bugün sentetik bir elmas fotonik cihazı ürettiğimizde, 0.5 mm kalınlığındaki elmasın üstteki birkaç mikronunu kullanıyoruz, bu nedenle çok daha verimli olmanın yollarını bulmamız gerekiyor. Üretilebilirliği düşünün, maliyetin düşürülmesini ve sonuçta daha "fableable" (yani standart yarı iletken üretim teknikleriyle uyumlu) sentetik elmas alt katmanları düşünün.

AWS teknolojisi yol haritası kuantum ağ iletişiminde nasıl görünüyor?

Zamanla, kuantum tekrarlayıcılar olarak hizmet eden kuantum hafızaları içeren elmas fotonik cihazları, yani "dolaşıklık dağıtım ağları" olarak adlandırdığımız şeyin temel yapı taşlarını hacimli olarak dağıtmak mümkün olmalıdır. Yakın vadede Ar-Ge önceliği, cihaz düzeyinde mühendislik ve sistem entegrasyonunu daha güvenilir, ölçeklenebilir ve ağa hazır hale getirecek kuantum düzeyinde sentetik elmas alt tabakaları sunmak için Element Six gibi şirketlerle çalışmaktır. Umudumuz, sentetik elmas üretimindeki ilerlemelerin, er ya da geç, AWS kuantum iletişim sistemlerini kurumsal müşterilerimizin ağ güvenliği ve gizlilik cephaneliğinde sahip olunması gereken bir araç haline getiren alt teknoloji yeniliklerini ortaya çıkarmasıdır.

Kuantum 'oyun değiştirici' arayışı

Kuantum dereceli sentetik elmas, kuantum hesaplama, kuantum metrolojisi ve kuantum ağ oluşturma alanlarında tamamen yeni bir dizi fotonik uygulama için sıraya giriyor; bunların çoğunun mevcut malzemelerde hiçbir analogu yok. Akademik topluluk kendi adına bu materyalle yapılabileceklerin sınırlarını zorlamaya odaklanmış durumda ve bu da kuantum performansında paradigma değişikliklerine yol açıyor; endüstri ise mevcut en son teknolojiyi alıp bunun nasıl yapılacağını bulmaya çalışıyor. Tasarlanmış sentetik elması paketlemek ve yeni nesil kuantum cihazlarına entegre etmek için en iyisi.

Araştırma laboratuvarından pazara çeviri artık ön planda ve merkezde olduğundan, kuantum elmas cihazlarının başarı ölçüleri, güvenilirlik, sağlamlık, üretilebilirlik, ölçeklenebilirlik ve maliyet/performans oranı gibi koordinatlarla giderek daha fazla tanımlanıyor. Zihniyet ve öncelikteki bu değişim, kontrollü seviyelerde NV ve NV içeren tek kristalli elmasın kuantum derecelerini ölçeğe göre üretmek için patentli teknolojisini ve PECVD üretimindeki bilgi birikimini uygulayan Element Six'teki kuantum geliştirme ekibinin çalışmalarına bilgi veriyor. Kuantum ağ sistemleri ve ötesindeki uygulamalar için SiV döndürme merkezleri.

"Sentetik elmas, oyunun kurallarını değiştiren çözümler sunabilir ve müşterilerimizin ve ortaklarımızın daha önce yapılamayan bir şeyi yapmasına olanak tanıyabilir; benzeri görülmemiş güç yoğunluklarına sahip bir lazer oluşturmaktan, olağanüstü yüksek frekans özelliklerine sahip bir sentetik elmas 'akustik kubbesine' kadar," diye açıklıyor Daniel Twitchen, Element Six'in baş teknoloji uzmanı.

"Bart Machielse ve AWS'deki ekibi buna bir örnek" diye ekliyor. “Bize geldiler çünkü yıllar geçtikçe sentetik elmas inovasyon yeteneklerinden oluşan geniş bir araç kutusu geliştirdik. Birikmiş bilgi birikimimiz, bir elmas kuantum ağ platformu oluşturmak için çözülmesi gereken teknik zorluklarla uyumlu, ayrıca sentetik elması bir üretim ortamına ölçeklendirme yeteneğini de gösterdik."

Aynı zamanda Element Six, sentetik elmasa yönelik yeni büyüyen pazarların, malzemenin yeni ortaya çıkan kuantum tedarik zincirinde ve başka yerlerde kullanımını kolaylaştıran çözümler gerektireceğinin farkında. Twitchen, "Sonuçta, ihtiyaç ve fırsat yalnızca kuantum dereceli sentetik elmas yapımında değil, aynı zamanda onu fotonik cihazlarla işleyip entegre etmekte de yatıyor" diye belirtiyor. "Ve bunu yaparak sentetik elmasın benimsenmesinin önündeki engelleri azaltıyoruz."

Şu anda Twitchen ve Element Six meslektaşlarının odak noktası, önde gelen kuantum ağ oluşturma gruplarıyla akademik işbirliklerinde sentetik elmasın potansiyelini zaten tespit etmiş olan şirketin kuantum ağ oluşturma alanındaki endüstriyel ortaklıklarını ölçeklendirmek. TU Delft Hollanda'da da İLE ve Harvard Üniversitesi ABD'de.

Twitchen şu sonuca varıyor: "Bugüne kadar eksik olan şey, müşterileri için yeni nesil kuantum güvenli ağ hizmetleri sunarak kuantum iletişim sistemlerini piyasaya sürebileceğini söyleyen büyük bir sektör oyuncusudur." AWS'den çok daha büyük değiller; bu vizyonu gerçeğe dönüştürmek için kuantum düzeyinde elmas konusundaki uzmanlığımızı AWS'nin fotonik alanındaki bilgi birikimiyle birleştirmek heyecan verici."

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/