Квантовые сети используют свойства запутанности и суперпозиции для безопасного распространения квантовой информации между конечными пользователями сети.
Эти сети состоят из двух типов узлов — магистральных узлов и узлов конечных пользователей, каждый из которых использует разные типы технологий. Узлы конечных пользователей могут использовать традиционные телекоммуникационные ресурсы, такие как лазеры и детекторы, для связи с магистральными узлами.
С другой стороны, магистральным узлам потребуется инфраструктура нового типа: квантовый повторитель. Эти ретрансляторы выполняют ту же функцию, что и усилители в классических сетях связи, корректируя потери и неверность, возникающие при распространении квантовой информации на большие расстояния, но они могут делать это без нарушения квантового состояния света, проходящего через сеть.
Это позволяет скорректировать неизбежное рассеяние отдельных частиц света, известных как фотоны, при их прохождении даже по самому лучшему телекоммуникационному волокну. Таким образом, эти ретрансляторы делают возможным распространение квантовой информации на расстояния, которые в противном случае были бы невозможны из-за потери фотонов.
Квантовые ретрансляторы станут основой для будущего квантового интернета, который обеспечит безопасную и частную связь, что делает их центральным объектом исследований в Центре квантовых сетей AWS.
Основным элементом квантового повторителя является кубит памяти, взаимодействующий со светом. Этот кубит улавливает информацию, закодированную на свету, сохраняет ее и вместе с другими соседними кубитами выполняет коррекцию ошибок, чтобы устранить любые ошибки, которые могли возникнуть во время связи.
Чтобы быть жизнеспособными, эти кубиты памяти должны иметь надежное взаимодействие со светом в видимой или телекоммуникационной области (исключая многие из ведущих кандидатов в кубиты из квантовых вычислений, таких как сверхпроводящие кубиты) и, предпочтительно, должны быть доступны для массового производства. Эти требования делают дефектные кубиты, такие как центры окраски в алмазе, ведущими кандидатами в качестве квантовых повторителей памяти.
Дефекты в твердых телах — это широкий класс кубитов, состоящих из одного или нескольких атомов, образующих дефект внутри однородного кристаллического материала. В зависимости от типа используемого атома и материала кубит определяется электронным или магнитным состоянием дефектного атома (атомов).
Дефектные кубиты естественным образом встречаются во многих материалах и часто могут быть введены искусственно путем целенаправленной имплантации материала-хозяина с выбранным дефектным атомом. Несмотря на то, что многие материалы способны содержать дефектные кубиты, поиск пары материал-дефект, обладающей какой-либо определенной комбинацией свойств, является сложной задачей.
Эти диаграммы NV (слева) и SiV (справа) показывают их атомную конфигурацию внутри решетки алмаза. В каждом случае атомы углерода (серебро) замещаются вакансиями (белые с черным контуром) и дефектными атомами (азот в коричневом цвете, кремний в золоте). Источник: Центр квантовых сетей AWS.
Несмотря на то, что они более чистые, чем другие природные кристаллы, они содержат множество различных примесей, попавших из окружающей среды в ходе длительного медленного процесса роста. Именно эти примеси придают бриллиантам самые разные цвета — от темно-синего до ярко-розового. Однако в некоторых случаях дефекты алмаза не только делают его уникальным и красивым: они также могут выступать в качестве исключительных кубитов для квантовых сетевых приложений.
Алмаз содержит множество различных дефектов, но два класса кубитов с дефектами алмаза стали ведущими кандидатами для коммуникационных приложений: центр азота и вакансий (НВ) и Центр кремниевых вакансий (SiV). И NV, и SiV образуются путем удаления двух соседних атомов углерода из кристаллической решетки алмаза и замены их одним атомом азота или кремния соответственно.
Атомные дефекты, встроенные в алмаз, могут изменить способ его взаимодействия со светом. Здесь алмаз высокой чистоты Element Six, выращенный с помощью PECVD, имплантирован SiV (вверху справа) и NV (внизу справа) и отожжен. При облучении зеленым светом области чистого алмаза (слева) не излучают свет, тогда как области с дефектами излучают красный свет разной интенсивности, создавая предыдущее изображение. Источник: Центр квантовых сетей AWS.
Вспоминая свет
Квантовые повторители работают, передавая информацию, закодированную на фотонах, в стационарный кубит памяти, где информация может храниться и исправляться. Дефектные кубиты, такие как центры окраски, являются хорошими кандидатами для этой операции, потому что они, естественно, имеют эффективный интерфейс со светом (источником их цвета) и потому что подмножество имеет доступ к долгоживущей «спиновой» памяти.
Этот спин можно представить как крошечный магнит, содержащийся внутри каждого электрона, протона и нейтрона в материале. Доступ к этой спиновой памяти можно получить, поместив кубит в магнитное поле таким образом, чтобы спины ориентировались вдоль направления поля.
Затем память определяется тем, направлен ли спин вдоль или против магнитного поля, что соответствует 1 или 0 битам соответственно. Когда свет отражается от центра окраски, он может перевернуть этот спиновый кубит, делая возможной передачу информации между светом и спиновой памятью в так называемом спин-фотонном интерфейсе. Центры окраски с этим свойством, такие как NV и SiV, являются полезными кандидатами на роль квантовых повторителей.
NV и SiV отличаются от других центров окраски тем, что размещены в алмазе, который совместим с широким спектром полупроводниковых процессов, химически инертен и стабилен во многих различных средах.
Это означает, что эти кубиты могут быть размещены внутри наноразмерных устройств, разработанных для конкретных приложений. Например, NV часто помещают на кончик сканирующего зонда для микроскопии или в центр полусферической линзы или столбов, используемых для эффективного сбора света.
SiV, которые менее чувствительны к окружающей среде, могут быть размещены внутри даже меньших структур. Они обычно используются внутри волноводов и фотонно-кристаллических резонаторов размером всего в 100 нанометров.
Первое изображение: Алмазные столбы, используемые для улучшения сбора света от цветовых центров. Второе изображение: фотонно-кристаллические устройства из алмаза, используемые для обеспечения детерминированных взаимодействий между центрами окраски и светом. Источник: Центр квантовых сетей AWS.
SiV является частью хорошо изученного класса дефектов, известных как дефекты «группы IV», определяемые их положением в периодической таблице, которые отличаются низкой чувствительностью к флуктуациям магнитного и электрического поля, возникающим на поверхности. большинства материалов.
Эта пониженная чувствительность позволяет размещать SiV внутри меньших структур, что, в свою очередь, повышает надежность их взаимодействия со светом. Дефект SiV также обладает другими свойствами, которые делают его подходящим для операций квантовой сети.
Он имеет время когерентности до 10 миллисекунд и вторичную ядерную спиновую память, которая может жить более секунды. SiV могут управляться и считываться индивидуально с высокой точностью, с точностью считывания 99,98%, точностью однокубитного вентиля лучше 99% и точностью спин-фотонного вентиля лучше 95%.
Используя синтетические алмазы Element Six, группа ученых из Гарварда и Массачусетского технологического института объединила эти свойства, чтобы позволить Квантовая связь с улучшенной памятьюэталон, который означает, что SiV обеспечит связь на больших расстояниях, чем это было бы возможно без повторителей.
Разработка и расширение технологии, связанной с SiV, должны сделать возможным широкое внедрение этой технологии, и эта разработка начинается с самого алмазного материала.
В природном алмазе количество атомов нежелательных дефектов снижает когерентность, оптические и спиновые свойства центров окраски, таких как NV и SiV. К счастью, появление искусственного роста алмазов сделало возможным уменьшение этих нежелательных дефектов.
Достижения в области химического осаждения из газовой фазы с плазменным усилением (PECVD) за последние 20 лет позволили выращивать отдельные пластины алмаза с достаточной чистотой и упорядоченностью для квантовых приложений. Рост PECVD позволяет формировать алмазы в сотни или тысячи раз чище, чем алмаз Regent Diamond, знаменитый природный алмаз чистоты, выставленный в Лувре.
В лучшем PECVD-алмазе менее одного атома на миллион являются примесями — по сравнению с одним атомом на тысячу для большинства природных алмазов.
Продолжение инвестиций в алмазную технологию PECVD будет иметь решающее значение для ее использования в квантовых приложениях. Улучшение контроля над типами образующихся дефектов и материалов, включенных в процессе выращивания алмазов, расширение различных морфологий алмазов, которые можно производить в массовом порядке, и снижение стоимости их производства будут иметь решающее значение для развития этой области.
Оптические и квантовые свойства алмаза делают его уникально перспективным для применения в квантовых сетях и квантовых коммуникациях, но отсутствие широкого доступа к различным сортам и морфологиям алмаза уже давно является проблемой для этой области.
Element Six и AWS совместно разрабатывают новые технологии, чтобы сделать алмаз более гибким и доступным материалом, что способствует росту и прогрессу этой технологии.
Хотя в этой области по-прежнему возникает много фундаментальных и технических вопросов, это сотрудничество между AWS и Element Six направлено на разработку масштабируемого решения для синтетических алмазов, совместимого с эффективным фотонно-спиновым взаимодействием и контролем, которое можно использовать для продвижения разработки квантовых технологий, включая безопасные. сети, датчики или компьютеры в будущем.
Читать полную новость на сайте
