Kim cương tổng hợp: đổi mới vật liệu đang viết lại các quy tắc của mạng lượng tử như thế nào – Thế Giới Vật Lý

Trong khi các mạng cáp quang ngày nay phân phối thông tin cổ điển trên quy mô chiều dài toàn cầu, thì mạng lượng tử của một ngày mai không xa sẽ khai thác các đặc tính kỳ lạ của sự vướng víu và chồng chất để truyền thông tin lượng tử một cách an toàn giữa những người dùng cuối ở cùng quy mô toàn cầu. Khả năng này sẽ cho phép liên lạc được mã hóa lượng tử cho tất cả các loại hình tổ chức – từ chính phủ và ngân hàng đến các nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe và quân đội – và chắc chắn mở đường cho việc triển khai các tài nguyên điện toán lượng tử song song ở quy mô lớn, với các nút điện toán từ xa được liên kết lượng tử. một cách máy móc trên mạng.

Mặc dù vẫn đang được phát triển, các bộ lặp lượng tử đại diện cho một công nghệ hỗ trợ cốt lõi khi Internet lượng tử xuất hiện, phục vụ chức năng tương tự như bộ khuếch đại sợi quang trong mạng quang cổ điển bằng cách điều chỉnh sự mất mát và không trung thực xảy ra khi thông tin lượng tử truyền đi trên một khoảng cách xa (mặc dù không có phá vỡ trạng thái lượng tử của ánh sáng khi nó đi qua mạng).

Bộ lặp lượng tử hoạt động bằng cách truyền thông tin được mã hóa trên các photon vào một qubit bộ nhớ cố định, nơi thông tin có thể được lưu trữ và sửa chữa. Các qubit khiếm khuyết, chẳng hạn như tâm màu trong kim cương tổng hợp, đang được coi là ứng cử viên đáng tin cậy cho nhiệm vụ này vì chúng có giao diện hiệu quả với ánh sáng (nguồn màu của chúng) và vì những khiếm khuyết này có thể có bộ nhớ “quay” tồn tại lâu dài. Hai loại qubit khiếm khuyết kim cương là trọng tâm của sự quan tâm R&D mạnh mẽ về vấn đề này: trung tâm spin chỗ trống nitơ (NV) và trung tâm spin chỗ trống silicon (SiV), cả hai đều được hình thành bằng cách loại bỏ hai nguyên tử carbon liền kề khỏi một mạng tinh thể kim cương tổng hợp và thay thế chúng bằng một nguyên tử nitơ hoặc silicon tương ứng.

Đây là Bart Machielse, nhà khoa học nghiên cứu lượng tử cao cấp tại Trung tâm mạng lượng tử AWS, kể Thế giới vật lý cách nhóm của anh ấy tiếp cận khả năng chế tạo và khoa học vật liệu hàng đầu của đối tác nghiên cứu Yếu tố thứ sáu để hiện thực hóa “lợi thế lượng tử” trong các hệ thống thông tin quang học sử dụng kim cương tổng hợp.

Mục tiêu chính của chương trình mạng lượng tử AWS là gì?

Trung tâm Mạng lượng tử AWS có trụ sở tại Boston, Massachusetts và có tất cả các công cụ cần thiết để hỗ trợ sáng kiến ​​R&D độc lập về truyền thông lượng tử. Do đó, chúng tôi chế tạo, thử nghiệm, mô tả đặc tính và tối ưu hóa các thiết bị của riêng mình để thử nghiệm bằng chứng khái niệm trong các thí nghiệm mạng lượng tử khoảng cách xa. Trong vai trò của mình, tôi lãnh đạo nhóm thiết bị và đóng gói với nhiệm vụ thúc đẩy mở rộng quy mô và tích hợp quang tử lượng tử (bao gồm cả quang tử kim cương tổng hợp) trong các trình diễn nghiên cứu cấp cao về công nghệ mạng lượng tử cấp triển khai.

Có lẽ, sự hợp tác là điều cần thiết trong một lĩnh vực cạnh tranh như vậy?

Đó là bắt buộc. Chúng tôi dựa vào các đối tác R&D, những người có thể mang đến khả năng kỹ thuật độc đáo, kiến ​​thức chuyên sâu và bí quyết chuyên môn. Ví dụ, sự hợp tác của chúng tôi với Element Six là nhằm tái tạo và biến đổi kim cương tổng hợp thành nền tảng vật liệu cho các thiết bị quang tử dành cho các ứng dụng trong bộ nhớ lượng tử và bộ lặp lượng tử. Nói tóm lại, điều đó có nghĩa là phát triển từ vị trí hiện tại của chúng ta – một chất nền khó xử lý khi chế tạo quang tử nano – tới một vật liệu tương thích với quy trình sản xuất theo kiểu bán dẫn có thể mở rộng, tái sản xuất và tiết kiệm chi phí.

Việc cộng tác với Element Six hoạt động như thế nào?

Làm việc với Element Six là sự hợp tác R&D thực sự. Trước hết, có sự tích hợp chặt chẽ giữa các chuyên gia vật liệu tại Element Six và nhóm quang tử lượng tử tại AWS. Cuộc trò chuyện tập thể là chìa khóa để chuyển đổi thành công bí quyết về vật liệu cơ bản tại Element Six sang hiệu suất nâng cao ở cấp độ thiết bị.

Về vấn đề này, tất cả đều xoay quanh quy trình: công việc của chúng tôi tại AWS là sử dụng chất nền kim cương mà Element Six sản xuất và áp dụng các công cụ quang học, chế tạo, vi sóng và đông lạnh chuyên dụng của chúng tôi để hiểu rõ hơn về hiệu suất lượng tử của vật liệu đó khi nó được chế tạo thành quang tử các thiết bị - đặc biệt là cách ánh xạ phát xạ quang học so với các đặc tính vật liệu cơ bản như mật độ lệch, độ biến dạng, độ nhẵn bề mặt và những thứ tương tự.

Những thách thức chính về sản xuất và kỹ thuật khi triển khai kim cương tổng hợp trong các hệ thống mạng lượng tử là gì?

Hiện tại, rất nhiều điều chúng tôi làm trong quang tử kim cương tổng hợp có xác suất cao – ví dụ, về độ tinh khiết của mẫu, sự hình thành các khuyết tật, vị trí chính xác của các khuyết tật đó và các đặc tính tinh thể ở quy mô vĩ mô của vật liệu nền. Nói tóm lại, cần có rất nhiều hiểu biết để liên kết các thuộc tính cần thiết cho ứng dụng với các thông số kỹ thuật của vật liệu để nó có thể được thu nhỏ hoàn toàn. Phối hợp với Element Six, AWS đang tìm cách tìm hiểu những yếu tố nào tạo nên cấp lượng tử kim cương tổng hợp; cũng có những giới hạn nào khi nói đến việc giảm chi phí/độ phức tạp của quá trình xử lý vật liệu để bạn có được thứ mình cần chứ không phải thứ bạn không cần.

Một điều chắc chắn: Cam kết của Element Six trong việc đầu tư liên tục vào các kỹ thuật tăng trưởng lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD) sẽ rất quan trọng đối với việc thiết kế, phát triển và chế tạo quy mô lớn các thiết bị kim cương cho các ứng dụng mạng lượng tử. Các ưu tiên đã rõ ràng: cải thiện khả năng kiểm soát các loại khuyết tật được tạo ra và vật liệu được kết hợp trong quá trình phát triển kim cương tổng hợp; mở rộng các hình thái khác nhau của kim cương có thể được sản xuất ở quy mô lớn; đồng thời giảm chi phí sản xuất.

Vậy nói cách khác: đổi mới vật liệu sẽ chẳng là gì nếu không có sự kiểm soát?

Đúng rồi. Nhiệm vụ sắp tới là loại bỏ tất cả các biến đổi khỏi quy trình chế tạo kim cương tổng hợp để chúng tôi có thể tối ưu hóa thiết kế, tích hợp và hiệu suất của các thiết bị quang tử lượng tử và các hệ thống con trong mạng. Cơ bản hơn nữa: khi chế tạo một thiết bị quang tử kim cương tổng hợp ngày nay, chúng tôi sử dụng vài micron trên cùng của một viên kim cương dày 0.5 mm, vì vậy chúng tôi cần tìm cách hiệu quả hơn rất nhiều. Hãy nghĩ đến khả năng sản xuất, nghĩ đến việc giảm chi phí và cuối cùng là chất nền kim cương tổng hợp có tính “dễ chế tạo” hơn - tức là tương thích với các kỹ thuật chế tạo chất bán dẫn tiêu chuẩn.

Lộ trình công nghệ AWS trong mạng lượng tử trông như thế nào?

Theo thời gian, có thể triển khai với số lượng lớn các thiết bị quang tử kim cương chứa bộ nhớ lượng tử đóng vai trò là bộ lặp lượng tử – các khối xây dựng thiết yếu cho cái mà chúng ta gọi là “mạng phân phối vướng víu”. Trong thời gian ngắn, ưu tiên R&D là hợp tác với các công ty như Element Six để cung cấp chất nền kim cương tổng hợp cấp lượng tử giúp tích hợp hệ thống và kỹ thuật cấp thiết bị trở nên đáng tin cậy hơn, có thể mở rộng và sẵn sàng kết nối mạng. Chúng tôi hy vọng rằng những tiến bộ trong chế tạo kim cương tổng hợp, sớm hay muộn, sẽ mang lại những cải tiến công nghệ tiếp theo giúp hệ thống truyền thông lượng tử AWS trở thành công cụ bắt buộc phải có trong kho vũ khí bảo mật và quyền riêng tư của khách hàng doanh nghiệp của chúng tôi.

Việc tìm kiếm một 'người thay đổi cuộc chơi' lượng tử

Kim cương tổng hợp cấp lượng tử đang được chuẩn bị cho một loạt ứng dụng quang tử hoàn toàn mới trong điện toán lượng tử, đo lường lượng tử và mạng lượng tử – nhiều trong số đó không có chất tương tự trong các vật liệu hiện có. Về phần mình, cộng đồng học thuật tập trung vào việc nâng cao các giới hạn của những gì có thể làm được với vật liệu này, dẫn đến những thay đổi mô hình về hiệu suất lượng tử, trong khi ngành công nghiệp tập trung vào việc tận dụng công nghệ tiên tiến hiện tại và tìm ra cách cách tốt nhất để đóng gói và tích hợp kim cương tổng hợp đã qua chế tạo vào các thiết bị lượng tử thế hệ tiếp theo.

Với việc chuyển đổi từ phòng thí nghiệm nghiên cứu sang thị trường hiện là trung tâm, các thước đo thành công cho các thiết bị kim cương lượng tử ngày càng được xác định dựa trên các tọa độ như độ tin cậy, độ bền, khả năng sản xuất, khả năng mở rộng và tỷ lệ chi phí/hiệu suất. Sự thay đổi về tư duy và ưu tiên đó thông báo cho công việc của nhóm phát triển lượng tử tại Element Six, nhóm đang áp dụng công nghệ và bí quyết đã được cấp bằng sáng chế trong chế tạo PECVD để sản xuất ở quy mô lớn các cấp lượng tử của kim cương đơn tinh thể chứa hàm lượng NV và Trung tâm quay SiV dành cho các ứng dụng trong hệ thống mạng lượng tử và hơn thế nữa.

“Kim cương tổng hợp có thể cung cấp các giải pháp thay đổi cuộc chơi và cho phép khách hàng cũng như đối tác của chúng tôi làm được những điều mà trước đây không thể làm được – từ chế tạo tia laser với mật độ năng lượng chưa từng có đến 'vòm âm thanh' kim cương tổng hợp với đặc tính tần số cao đặc biệt," giải thích Daniel Twitchen, kỹ thuật viên trưởng tại Element Six.

Ông nói thêm: “Bart Machielse và nhóm của anh ấy tại AWS là một trường hợp điển hình. “Họ đến với chúng tôi vì trong nhiều năm, chúng tôi đã phát triển một hộp công cụ lớn về khả năng đổi mới kim cương tổng hợp. Bí quyết tích lũy của chúng tôi phù hợp với những thách thức kỹ thuật cần phải giải quyết để hiện thực hóa nền tảng mạng lượng tử kim cương, đồng thời chúng tôi đã chứng minh khả năng mở rộng quy mô kim cương tổng hợp vào môi trường sản xuất.”

Đồng thời, Element Six nhận ra rằng các thị trường tăng trưởng mới cho kim cương tổng hợp sẽ yêu cầu các giải pháp giúp vật liệu được sử dụng dễ dàng hơn – trong chuỗi cung ứng lượng tử mới nổi và các nơi khác. Twitchen lưu ý: “Cuối cùng, nhu cầu và cơ hội không chỉ nằm ở việc tạo ra kim cương tổng hợp cấp lượng tử mà còn ở việc xử lý và tích hợp nó trong các thiết bị quang tử”. “Và, khi làm như vậy, sẽ giảm bớt các rào cản đối với việc sử dụng kim cương tổng hợp.”

Hiện tại, trọng tâm của Twitchen và các đồng nghiệp Element Six của anh ấy là mở rộng quan hệ đối tác công nghiệp của công ty trong lĩnh vực mạng lượng tử, sau khi đã thiết lập được tiềm năng của kim cương tổng hợp trong hợp tác học thuật với các nhóm mạng lượng tử hàng đầu tại Bạn delft ở Hà Lan cũng như MIT và Harvard University tại Hoa Kỳ.

Twitchen kết luận: “Điều còn thiếu cho đến nay là một công ty lớn trong ngành nói rằng họ có thể triển khai các hệ thống truyền thông lượng tử bằng cách giới thiệu thế hệ dịch vụ mạng an toàn lượng tử mới cho khách hàng của họ. Chúng không lớn hơn nhiều so với AWS, vì vậy thật thú vị khi được kết hợp kiến ​​thức chuyên môn của chúng tôi về kim cương cấp lượng tử với bí quyết về quang tử học của AWS để biến tầm nhìn này thành hiện thực.”

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/