Синтетичний алмаз: як інноваційні матеріали переписують правила квантових мереж – Physics World

У той час як сучасні волоконно-оптичні мережі розподіляють класичну інформацію в масштабах глобальної довжини, квантові мережі не такого вже й далекого завтрашнього дня використовуватимуть екзотичні властивості заплутування та суперпозиції для безпечної передачі квантової інформації між кінцевими користувачами в тому ж глобальному масштабі. Ця можливість забезпечить квантово-шифрований зв’язок для будь-яких організацій – від урядів і банків до постачальників медичних послуг і військових – і неминуче відкриє шлях до реалізації масштабних паралельних квантових обчислювальних ресурсів із зв’язаними віддаленими обчислювальними вузлами квантово механічно через мережу.

Хоча квантові повторювачі все ще перебувають у стадії розробки, вони представляють собою основну технологію, що забезпечує доступ до квантового Інтернету, виконуючи подібну функцію, як волоконно-оптичні підсилювачі в класичних оптичних мережах, коригуючи втрати та недостовірність, які виникають, коли квантова інформація поширюється на великі відстані (хоча без порушуючи квантовий стан світла, коли воно проходить через мережу).

Квантові повторювачі працюють шляхом передачі інформації, закодованої на фотонах, на стаціонарний кубіт пам’яті, де інформацію можна зберігати та виправляти. Дефектні кубіти, такі як центри кольору в синтетичному алмазі, формуються як надійні кандидати для цього завдання, оскільки вони мають ефективний інтерфейс зі світлом (джерелом їхнього кольору) і тому, що ці дефекти можуть мати довготривалу «обертову» пам’ять. Два класи алмазно-дефектних кубітів знаходяться в центрі інтенсивного науково-дослідного інтересу в цьому відношенні: центр обертання вакансії азоту (NV) і центр обертання вакансії кремнію (SiV), обидва з яких утворюються шляхом видалення двох сусідніх атомів вуглецю з кристалічну решітку синтетичного алмазу та заміну їх одним атомом азоту або кремнію відповідно.

Тут Барт Макіелс, старший науковий співробітник з квантових досліджень Центр квантових мереж AWS, розповідає Світ фізики як його команда отримує доступ до передового матеріалознавства та можливостей виготовлення дослідницького партнера Елемент шостий реалізувати «квантову перевагу» в системах оптичного зв'язку з використанням синтетичного алмазу.

Яка головна мета програми квантових мереж AWS?

Центр квантових мереж AWS розташований у Бостоні, штат Массачусетс, і має всі інструменти, необхідні для підтримки незалежної науково-дослідної ініціативи в галузі квантових комунікацій. Таким чином, ми виготовляємо, тестуємо, характеризуємо та оптимізуємо наші власні пристрої для перевірки концепції в експериментах квантової мережі на великій відстані. На моїй посаді я очолюю групу з розробки пристроїв і упаковки, яка займається розширенням масштабів та інтеграцією квантової фотоніки (включно з фотонікою синтетичного алмазу) у високоякісні дослідницькі демонстратори квантових мережевих технологій рівня розгортання.

Мабуть, співпраця є даністю в такому конкурентному полі?

Це обов'язково. Ми покладаємося на партнерів з науково-дослідних розробок, які можуть залучити до столу унікальні технічні можливості, глибокі знання в галузі та спеціалізоване ноу-хау. Наша співпраця з Element Six, наприклад, пов’язана з переосмисленням і перетворенням синтетичного алмазу як матеріальної платформи для фотонних пристроїв, призначених для застосування в квантовій пам’яті та квантових повторювачах. Коротше кажучи, це означає перехід від того місця, де ми є зараз – субстрату, з яким важко працювати, коли справа доходить до виготовлення нанофотонів – до матеріалу, сумісного з масштабованим, відтворюваним і економічно ефективним виробництвом напівпровідників.

Як працює співпраця з Element Six?

Робота з Element Six — це справжня співпраця в галузі досліджень і розробок. Для початку існує тісна інтеграція між експертами з матеріалів Element Six і командою квантової фотоніки тут, в AWS. Колективна розмова є ключем до успішного перетворення ноу-хау базових матеріалів у Element Six у покращену продуктивність на рівні пристрою.

Це пов’язано з конвеєром у цьому відношенні: наша робота в AWS полягає в тому, щоб взяти алмазні підкладки, які виробляє Element Six, і застосувати наші спеціалізовані оптичні, виробничі, мікрохвильові та кріогенні інструменти, щоб краще зрозуміти квантову продуктивність цього матеріалу, коли він виготовляється у фотонний. пристроїв – зокрема, як оптичне випромінювання відповідає основним властивостям матеріалів, таким як щільність дислокацій, деформація, гладкість поверхні тощо.

Які основні виробничі та інженерні проблеми, коли справа доходить до застосування синтетичного алмазу в системах квантових мереж?

Зараз багато з того, що ми робимо у фотоніці синтетичного алмазу, є високоімовірнісним – наприклад, щодо чистоти зразка, утворення дефектів, точного розташування цих дефектів і макромасштабних кристалічних властивостей матеріалу підкладки. Коротше кажучи, потрібно багато розуміння, щоб пов’язати властивості, необхідні для застосування, зі специфікаціями матеріалу, щоб його можна було повністю масштабувати. У співпраці з Element Six AWS прагне зрозуміти, які фактори роблять синтетичний алмаз квантовим; також які існують обмеження, коли йдеться про зниження вартості/складності обробки матеріалів, щоб ви отримували те, що вам потрібно, а не те, що вам не потрібно.

Одне можна сказати напевно: відданість Element Six постійним інвестиціям у методи вирощування з плазмовим хімічним осадженням (PECVD) матиме вирішальне значення для проектування, розробки та масштабного виготовлення алмазних пристроїв для додатків квантової мережі. Пріоритети вже зрозумілі: покращення контролю над типами створюваних дефектів і матеріалом, що впроваджується під час вирощування синтетичного алмазу; розширення різних морфологій алмазів, які можна виробляти в масштабі; і одночасно зниження собівартості виготовлення.

Іншими словами: інноваційні матеріали – це ніщо без контролю?

Це правильно. Завдання на майбутнє полягає в тому, щоб усунути всі варіативності процесу виготовлення синтетичних алмазів, щоб ми могли оптимізувати дизайн, інтеграцію та продуктивність квантових фотонних пристроїв і підсистем у мережі. Ще більш фундаментально: коли ми сьогодні виготовляємо фотонний пристрій із синтетичним алмазом, ми використовуємо кілька верхніх мікрон алмазу товщиною 0.5 мм, тому нам потрібно знайти способи бути набагато ефективнішими. Подумайте про технологічність, подумайте про зниження витрат і, зрештою, про синтетичні алмазні підкладки, які є більш «фантастичними», тобто сумісними зі стандартними методами виготовлення напівпровідників.

Як виглядає дорожня карта технології AWS у квантових мережах?

З часом стане можливим масштабне розгортання алмазних фотонних пристроїв, що містять квантову пам’ять, яка слугуватиме квантовими ретрансляторами – основними будівельними блоками для того, що ми називаємо «мережами розподілу заплутаності». У найближчій перспективі пріоритетом науково-дослідних розробок є співпраця з такими компаніями, як Element Six, для постачання синтетичних алмазних підкладок квантового класу, які зроблять розробку на рівні пристрою та системну інтеграцію більш надійною, масштабованою та готовою до мережі. Ми сподіваємося, що прогрес у виробництві синтетичних алмазів швидше за все призведе до технологічних інновацій, які зроблять квантові комунікаційні системи AWS обов’язковим інструментом у мережевій безпеці та конфіденційності наших корпоративних клієнтів.

Пошуки квантового «перемінника»

Синтетичний алмаз квантового класу вибудовується для цілого нового діапазону фотонних застосувань у квантових обчисленнях, квантовій метрології та квантових мережах, багато з яких не мають аналогів у існуючих матеріалах. Академічне співтовариство, зі свого боку, зосереджено на розширенні меж того, що можна зробити з цим матеріалом, що призводить до зміни парадигми квантової продуктивності, тоді як промисловість зосереджена на тому, щоб прийняти поточний стан мистецтва та з’ясувати, як найкраще упакувати та інтегрувати сконструйований синтетичний алмаз у квантові пристрої нового покоління.

З переходом із дослідницької лабораторії на ринок, який тепер є центральним, показники успіху квантово-алмазних пристроїв дедалі більше визначаються такими координатами, як надійність, надійність, технологічність, масштабованість і співвідношення ціна/продуктивність. Ця зміна мислення та пріоритетів є основою для роботи групи квантових розробників у Element Six, яка застосовує свою запатентовану технологію та ноу-хау у виготовленні PECVD для виробництва в масштабі квантових класів монокристалічного алмазу з контрольованими рівнями NV та Спинові центри SiV для застосування в системах квантових мереж і не тільки.

«Синтетичний алмаз може запропонувати кардинальні рішення та дозволити нашим клієнтам і партнерам зробити те, що не можна було зробити раніше – від створення лазера з безпрецедентною щільністю потужності до «акустичного купола» з синтетичного алмазу з винятково високочастотними характеристиками», — пояснює він. Деніел Твітчен, головний технолог Element Six.

«Барт Макілзе та його команда в AWS є яскравим прикладом», — додає він. «Вони прийшли до нас, тому що за ці роки ми розробили великий інструментарій інноваційних можливостей для синтетичних алмазів. Наші накопичені ноу-хау узгоджуються з технічними проблемами, які необхідно вирішити, щоб реалізувати алмазну квантову мережеву платформу, а також ми продемонстрували здатність масштабувати синтетичний алмаз у виробничому середовищі».

У той же час Element Six усвідомлює, що нові зростаючі ринки синтетичного алмазу потребуватимуть рішень, які спростять використання матеріалу – у новому квантовому ланцюжку постачання та в інших місцях. «Зрештою, потреба та можливість полягають не лише у виготовленні синтетичного алмазу квантового класу, а й у обробці та інтеграції його в фотонні пристрої», — зазначає Твітчен. «І, таким чином, зменшуючи перешкоди для впровадження синтетичного алмазу».

Наразі Twitchen та його колеги з Element Six зосереджені на розширенні промислового партнерства компанії у сфері квантових мереж, оскільки вони вже встановили потенціал синтетичного алмазу в академічній співпраці з провідними групами квантових мереж у TU Delft в Нідерландах, а також MIT та Гарвардський університет в США.

«Чого не вистачало на сьогоднішній день, — підсумовує Twitchen, — так це того, що великий гравець галузі заявив, що може розгорнути квантові комунікаційні системи, запровадивши нове покоління квантово-захищених мережевих послуг для своїх клієнтів. Вони не набагато більші, ніж AWS, тому дуже цікаво об’єднати наш досвід у квантовому алмазі з ноу-хау AWS у фотоніці, щоб втілити це бачення в реальність».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/