人造金刚石：材料创新如何改写量子网络规则 – 物理世界

虽然今天的光纤网络在全球范围内分发经典信息，但不远的将来的量子网络将利用纠缠和叠加的奇特特性，在相同的全球范围内安全地在最终用户之间传输量子信息。 这种能力将为各种组织（从政府和银行到医疗保健提供者和军队）实现量子加密通信，并不可避免地为大规模并行量子计算资源的实施开辟道路，远程计算节点连接量子机械地通过网络。

尽管仍在开发中，但量子中继器代表了量子互联网出现时的一项核心使能技术，通过纠正量子信息长距离传播时发生的损耗和不忠实，与经典光网络中的光纤放大器具有类似的功能（尽管没有当光通过网络时扰乱光的量子态）。

量子中继器的工作原理是将光子上编码的信息传输到固定存储器量子位上，在该量子位上可以存储和纠正信息。 缺陷量子位，例如合成钻石中的色心，正在成为这项任务的可靠候选者，因为它们与光（其颜色的来源）具有有效的界面，并且因为这些缺陷可以具有长期的“旋转”记忆。 两类金刚石缺陷量子位是这方面强烈研发兴趣的焦点：氮空位自旋中心（NV）和硅空位自旋中心（SiV），两者都是通过去除两个相邻的碳原子而形成的合成金刚石晶格并分别用单个氮或硅原子代替它们。

这里是 Bart Machielse，高级量子研究科学家 AWS 量子网络中心告诉 物理世界 他的团队如何利用研究合作伙伴的前沿材料科学和制造能力 元素六 使用人造金刚石在光通信系统中实现“量子优势”。

AWS 量子网络计划的总体目标是什么？

AWS 量子网络中心位于马萨诸塞州波士顿，拥有支持量子通信独立研发计划所需的所有工具。 因此，我们制造、测试、表征和优化我们自己的设备，用于长距离量子网络实验中的概念验证测试。 在我的职位上，我领导设备和封装团队，负责推动量子光子学（包括合成金刚石光子学）在部署级量子网络技术的高级研究演示中的扩展和集成。

想必在这样一个竞争激烈的领域，合作是理所当然的吧？

这是强制性的。 我们依赖研发合作伙伴，他们可以带来独特的技术能力、深厚的领域知识和专业知识。 例如，我们与元素六的合作就是重新构想和改造人造金刚石，将其作为光子器件的材料平台，用于量子存储器和量子中继器的应用。 简而言之，这意味着从我们现在所处的位置（在纳米光子制造方面很难使用的基板）发展到与可扩展、可重复且具有成本效益的半导体式制造兼容的材料。

与元素六的合作如何运作？

与元素六的合作是真正的研发合作。 首先，元素六的材料专家和 AWS 的量子光子团队之间存在紧密的集成。 集体对话是将元素六的基础材料专业知识成功转化为增强的设备级性能的关键。

这一切都与这方面的管道有关：我们在 AWS 的工作是采用元素六生产的金刚石基材，并应用我们的专业光学、制造、微波和低温工具，以更好地了解该材料在被制造成光子时的量子性能器件——特别是光发射如何映射与位错密度、应变、表面光滑度等基本材料特性的关系。

在量子网络系统中部署人造金刚石时，主要的制造和工程挑战是什么？

目前，我们在合成金刚石光子学方面所做的许多工作都是高度概率性的——例如，在样品纯度、缺陷的形成、这些缺陷的确切位置以及基材材料的宏观晶体特性方面。 简而言之，需要大量的理解才能将应用程序所需的属性与材料规格联系起来，以便能够完全扩展。 AWS 与 Element Six 合作，试图了解使人造金刚石达到量子级的因素有哪些； 还有在降低材料加工的成本/复杂性方面的限制是什么，以便您得到您需要的东西，而不是您不需要的东西。

有一点是确定的：元素六对等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 生长技术的持续投资对于量子网络应用金刚石器件的设计、开发和大规模制造至关重要。 优先事项已经很明确：改善对人造金刚石生长过程中产生的缺陷类型和所用材料的控制； 扩大可大规模生产的钻石的不同形态； 同时降低制造成本。

换句话说：如果没有控制，材料创新就毫无意义？

这是正确的。 未来的任务是消除合成金刚石制造过程中的所有可变性，以便我们可以优化网络中量子光子器件和子系统的设计、集成和性能。 更重要的是：当我们今天制造合成金刚石光子器件时，我们使用 0.5 毫米厚的金刚石的顶部几微米，因此我们需要找到更高效的方法。 考虑可制造性、降低成本以及最终更“可制造”的人造金刚石基材，即与标准半导体制造技术兼容。

AWS 量子网络技术路线图是什么样的？

随着时间的推移，应该可以批量部署包含量子存储器的钻石光子器件，这些量子存储器充当量子中继器——我们所说的“纠缠分配网络”的基本构建模块。 近期，研发重点是与元素六等公司合作，提供量子级人造金刚石基材，这将使设备级工程和系统集成更加可靠、可扩展和网络就绪。 我们希望合成钻石制造领域的进步能够尽快带来下游技术创新，使 AWS 量子通信系统成为我们企业客户网络安全和隐私库中的必备工具。

寻找量子“游戏规则改变者”

量子级人造金刚石正被用于量子计算、量子计量和量子网络等一系列全新的光子应用——其中许多应用在现有材料中没有类似物。 就学术界而言，其重点是突破这种材料的极限，从而导致量子性能的范式转变，而工业界则致力于采用当前的最先进技术并弄清楚如何最好将工程合成金刚石封装并集成到下一代量子设备中。

随着从研究实验室向市场的转变，量子金刚石器件的成功衡量标准越来越多地按照可靠性、稳健性、可制造性、可扩展性和成本/性能比等坐标来定义。 这种思维方式和优先事项的转变为元素六量子开发团队的工作提供了信息，该团队正在应用其在 PECVD 制造中的专利技术和专业知识，大规模生产含有受控水平的 NV 和 NV 的量子级单晶金刚石。 SiV 旋转中心适用于量子网络系统及其他领域的应用。

“人造金刚石可以提供改变游戏规则的解决方案，让我们的客户和合作伙伴能够做一些以前无法做到的事情——从制造具有前所未有的功率密度的激光器到具有极高频率特性的人造金刚石‘声学圆顶’，”解释道Daniel Twitchen，元素六首席技术专家。

“Bart Machielse 和他在 AWS 的团队就是一个很好的例子，”他补充道。 “他们之所以来找我们，是因为多年来我们开发了一个具有合成金刚石创新能力的大型工具箱。 我们积累的专业知识与实现钻石量子网络平台必须解决的技术挑战相一致，而且我们已经展示了将合成钻石扩展到生产环境的能力。”

与此同时，元素六意识到，人造金刚石的新增长市场将需要能够使材料在新兴量子供应链和其他地方更容易使用的解决方案。 “最终，需求和机遇不仅在于制造量子级合成钻石，还在于对其进行加工并将其集成到光子设备中，”Twitchen 指出。 “而且，这样做可以减少采用合成钻石的障碍。”

目前，Twitchen 和他的元素六同事的重点是扩大公司在量子网络领域的工业合作伙伴关系，他们已经在与领先的量子网络小组的学术合作中确定了合成金刚石的潜力。 你甜点 在荷兰以及 麻省理工学院简介 和 哈佛大学 在美国。

Twitchen 总结道：“迄今为止，我们缺少的是一家大型行业参与者表示，他们可以通过为其客户引入新一代量子安全网络服务来推出量子通信系统。 它们并不比 AWS 大多少，因此我们很高兴能够将我们在量子级钻石方面的专业知识与 AWS 在光子学方面的专业知识结合起来，使这一愿景成为现实。”

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/synthetic-diamond-how-materials-innovation-is-rewriting-the-rules-of-quantum-networking/