Синтетични диаманти водят екипа на Принстън за пробив на квантовото криптиране

Съхраняване на квантови битове информация, или кубити, е много по-трудно, отколкото съхраняването на обикновени двоични цифри. Това не са просто единици или нули, а целият набор от фини квантови суперпозиции между тях. Електроните лесно могат да излязат от тези състояния, ако не се съхраняват в подходящите материали, поради което електроинженерите в Принстън работят с британски производител, за да създадат по-добър материал за съхранение - синтетични диаманти - от нулата. Те публикуваха отчет за успеха си в четвъртък наука.

В продължение на десетилетия физиците, инженерите по материали и други се опитват да постигнат концептуалното обещание за квантово-кодирани комуникации, тъй като данните, прехвърлени в този процес, са теоретично имунизирани срещу скрито наблюдение. Всеки опит да се отбележи, че данните между партиите - ала принципа на несигурността Хайзенберг - би променил фундаментално тази информация, бързо разкривайки, че тя е била компрометирана. Проблемът е съхранението и запазването на кубити, а след това превръщането им в фотони, готови за оптични влакна, и използването на диаманти изглежда е пътят към постигането и на двете. Но не само някой диамант ще направи това, поради което екипът на Принстън е работил усилено, създавайки синтетичен, както те описват в доклада си.

"Свойствата, към които се стремим, са това, което е от значение за квантовите мрежи", разказва инженерът по електротехника Натали де Леон. обратен, В Принстън, където де Леон е асистент, фокусът на нейния екип се състои в изобретяването на квантовия хардуер. "Това са приложения, където искате нещо, което има дълго време на съхранение, а след това също има добър интерфейс с фотони, така че можете да изпращате светлина на много дълги разстояния."

Фотонните взаимодействия имат значение за високоскоростните международни комуникации, тъй като цялата информация, пътуваща по оптични кабели, преминава през нашата глобална инфраструктура като дискретни фотони - при 69% от скоростта на светлината. (Ница).

„Това поставя много ограничения върху оптичните характеристики“, казва де Леон. „Като един пример, наистина е важно цветът да е стабилен. Ако цветът на фотона прескача с течение на времето, това наистина е лошо за тези протоколи.

В момента групата на де Леон се опитва да създаде версия на тези синтетични диаманти, които могат да се превърнат в стандартна дължина на вълната от 1550 нанометра, върху която сега фотоните преминават през оптични кабели. Понастоящем синтетичните диаманти на екипа й поддържат дължина на вълните от 946 нанометра. (Цветът на фотона тук е малко евфемизъм, тъй като и двете дължини на вълните са нюанси на инфрачервения спектър извън видимия спектър.)

Препятствието, което нейният екип просто успя да пресече, е съхраняването на тези кубити в кристални квантови ретранслатори, подобно на ретранслаторите, които понастоящем се използват за предотвратяване на загубата на сигнала и деградацията в днешните оптични комуникации. Критичната стъпка в този процес е производството на синтетични диаманти с възможно най-малко нежелани примеси (азот, главно) и повече от примесите, които всъщност са искали (силиций и бор).

"Азотът се оказва преобладаващият дефект, който получавате в тези диаманти", казва де Леон. Партньорите на нейната група в британския производител на диаманти Element Six трябваше да създадат над средните вакуумни условия, тъй като дори обикновените вакууми могат да оставят достатъчно количество азот в камерата, за да замърсят изкуствено направените кристали. Тъй като азотът има още един свободен електрон от въглерода, азотните примеси нарушават уникалния електрически грим, на който се надяват изследователите.

Други малки дефекти също могат да подкопаят кубит-съхраняващия потенциал на тези диаманти.Целта е в кристалната рамка да има двойки свободни места с атомни размери заедно със заместен силиконов атом, където е бил един въглерод, но понякога тези двойки могат да се натрупват заедно в „свободни клъстери“, които започват да преразпределят електроните си в досадно, контрапродуктивни начини. Понякога увреждането на полирането и ецването върху повърхността на диаманта също може да предизвика ефект на доминото, като се обърка и с този образец на електрони. Това е мястото, където може да помогне добавянето на бор, който има един по-малко свободен електрон от въглерод.

„Това, което трябваше да направим, казва де Леон, е да започнем с този диамант с ултра-висока чистота и след това да растеме в някакъв бор, за да попием в действителност някой от допълнителните електрони, които не можем да контролираме. Тогава имаше много обработка на материалите - скучни неща като термично закаляване и ремонт на повърхността в края, за да се уверим, че все още ще се отървем от много от тези други видове дефекти, които ви дават допълнителни такси. ”

Овладяването на двете тези предизвикателства, много от които са заподозрени в областта, са ключовете за пълноценното функциониране и почти невъзможно да се разчупи квантовото криптиране.

Преди началото на синтетичните диаманти само преди няколко години, изследователите в областта на квантовата оптика трябваше да разчитат на естествени диаманти, за да вършат работата си - по-специално един специфичен диамант.

Според де Леон всички в областта на квантовата оптика трябва да разчитат на един единствен, естествено произведен диамант от Русия, който просто се е оказал подходящ процент на бор, азот и други примеси, за да направят изследването си възможно. Фрагменти от диаманта бяха разцепени и раздадени на изследователски групи по целия свят.

„Много от групите имаха своя собствена малка част от„ магическия руски диамант ”, както де Леон каза на вътрешната служба на Принстън през 2016 г.„ На Харвард ние нарекохме нашите „Magic Alice“ и „Magic Bob“. »

Така че, TL, DR, западните учени се подобряват в производството на свои собствени магически квантови изчислителни диаманти, вместо да зависят от магическия руски диамант с квантово изчисление. Това е фактическо изречение, което звучи абсурдно. Classic 2018.