Sintetični diamanti vodijo Princetonsko ekipo za kvantno šifriranje

Shranjevanje kvantnih informacij ali kubitov je veliko težje kot shranjevanje navadnih binarnih številk. To niso samo eni ali ničli, temveč celoten obseg subtilnih kvantnih superpozicij med njimi. Elektroni lahko brez težav zdrsnejo iz teh držav, če niso shranjeni v pravem materialu, zato električni inženirji v Princetonu sodelujejo z britanskim proizvajalcem, da ustvarijo boljši material za shranjevanje - sintetični diamanti - iz nič. V četrtek so objavili poročilo o svojem uspehu Znanost.

Že desetletja fiziki, inženirji materialov in drugi poskušajo doseči konceptualno obljubo kvantno šifriranih komunikacij, ker so podatki, preneseni v tem procesu, teoretično imuni na prikrit nadzor. Vsak poskus, da bi ugotovili, da so podatki med strankami - po načelu Heisenbergovih negotovosti - bistveno spremenili to informacijo, hitro razkrili, da je bila ogrožena. Težava je bila shranjevanje in ohranjanje kubitov, nato pa pretvorba v fotone, ki so pripravljeni na optična vlakna, in z uporabo diamantov se zdi, da je pot do doseganja obeh. Ampak ne samo vsak diamant bo naredil, zato je Princetonova ekipa težko ustvarjala sintetično, kot opisujejo v svojem prispevku.

"Lastnosti, ki jih ciljamo, so tiste, ki so pomembne za kvantne mreže," pravi električni inženir Nathalie de Leon Inverse. Na Princetonu, kjer je de Leon docent, se njena ekipa osredotoča na izumljanje kvantne strojne opreme. "To so aplikacije, kjer želite nekaj, kar ima dolg čas shranjevanja, in potem tudi dober vmesnik s fotoni, tako da lahko pošiljate svetlobo na zelo dolge razdalje."

Fotonske interakcije so pomembne za hitre mednarodne komunikacije, saj vse informacije, ki potujejo po optičnih kablih, potekajo po naši globalni infrastrukturi kot diskretni fotoni - križarjenje pri 69 odstotkih hitrosti svetlobe. (Lepo.)

»To postavlja veliko omejitev optičnih lastnosti,« pravi de Leon. »Kot en primer, je zelo pomembno, da je barva stabilna. Če se barva fotona sčasoma skače okoli, potem je za te protokole res slabo."

Trenutno de Leonova skupina poskuša izdelati različico teh sintetičnih diamantov, ki se lahko pretvorijo v standardno valovno dolžino 1.550 nanometrov, na kateri fotoni zdaj prečkajo optične kable. Trenutno sintetični diamanti njene ekipe podpirajo 946-nanometrske fotonske valovne dolžine. (Fotonska »barva« je tu nekoliko eufemizem, ker sta obe valovni dolžini odtenki infrardečega sevanja zunaj vidnega spektra.)

Težava, ki ji je njena ekipa pravzaprav uspela prečkati, je shranjevanje teh kubitov v kristalnih kvantnih repetitorjih, podobnih repetitorjem, ki se trenutno uporabljajo za preprečevanje izgube in degradacije signala v današnjih optičnih komunikacijah. Kritični korak v tem procesu je bila proizvodnja sintetičnih diamantov s čim manj neželenimi nečistočami (predvsem dušika) in več nečistoč, ki so jih dejansko želeli (silicij in bor).

"Dušik se izkaže, da je prevladujoča napaka, ki jo dobite v teh diamantih," pravi de Leon. Partnerji njene skupine v britanskem izdelovalcu diamantov Element Six so morali ustvariti nadpovprečne vakuumske pogoje, saj lahko celo običajni prazniki v komori pustijo dovolj dušika, da kontaminirajo umetno izdelane kristale. Ker ima dušik še en prosti elektron kot ogljik, onesnaženja z dušikom motijo ​​edinstveno električno kozmetiko, za katero upajo raziskovalci.

Tudi druge majhne pomanjkljivosti lahko spodkopljejo potencial shranjevanja teh diamantov.Cilj je, da so v kristalnem okviru poleg parov atomov silicija, kjer je nekoč obstajal en sam ogljik, na voljo pari atomov prostih delovnih mest, toda včasih lahko ti pari združijo v "grozde prostih delovnih mest", ki začnejo prenašati svoje elektrone v nadležno, kontraproduktivne načine. Včasih lahko poškoduje poliranje in jedkanje na površini diamanta, kar lahko povzroči tudi domino učinek. Tu lahko pomaga dodajanje bora, ki ima en manj prost elektron kot ogljik.

"To, kar smo morali storiti," pravi de Leon, "je začetek s tem diamantom ultra visoke čistosti in nato rastejo v nekem boru, da v bistvu vpijejo vse dodatne elektrone, ki jih ne moremo nadzorovati. Potem je bilo veliko obdelave materialov - dolgočasne stvari, kot je termično žarjenje in popravilo površine na koncu, da bi se prepričali, da se še vedno znebimo mnogih drugih vrst napak, ki vam dajejo dodatne stroške. «

Obvladanje obeh izzivov, mnogi v polju sum, so ključi za popolno funkcionalnost in skoraj nemogoče razpokati kvantno šifriranje.

Pred začetkom sintetičnih diamantov so se raziskovalci na področju kvantne optike pred nekaj leti morali zanašati na naravne diamante, da bi opravili svoje delo - zlasti določen diamant.

De Leon je dejal, da so se vsi na področju kvantne optike morali zanašati na en sam naravni diamant iz Rusije, ki se je ravnokar izkazal za pravega odstotka bora, dušika in drugih nečistoč, da bi omogočil njihovo raziskovanje. Fragmenti diamanta so bili odcepljeni in razdeljeni raziskovalnim skupinam po vsem svetu.

»Številne skupine so imele svoj del„ čarobnega “ruskega diamanta,„ kot je de Leon povedal Princetonovi službi za novinarje leta 2016. “Na Harvardu smo imenovali našo» Magic Alice «in» Magic Bob «.

Torej, TL, DR, zahodni znanstveniki postajajo boljši pri izdelavi lastnih magičnih kvantnih računalniških diamantov, namesto da bi bili odvisni od trakov ruskega magičnega kvantnega računalništva. To je dejanski stavek, ki zveni smešno. Classic 2018.