Sintetički dijamanti vode princetonski tim za proboje kvantne enkripcije

Pohranjivanje kvantnih informacija ili qubita mnogo je teže od pohranjivanja običnih binarnih znamenki. To nisu samo one ili nule, već cijeli raspon suptilnih kvantnih superpozicija između njih. Elektroni se lako mogu izvući iz tih stanja ako se ne pohranjuju u prave materijale, zbog čega inženjeri elektrotehnike u Princetonu rade s britanskim proizvođačem kako bi stvorili bolji materijal za skladištenje - sintetičke dijamante - od nule. U četvrtak su objavili izvješće o svom uspjehu Znanost.

Već desetljećima fizičari, inženjeri materijala i drugi pokušavaju postići konceptualno obećanje kvantno-šifriranih komunikacija, jer su podaci koji se prenose u tom procesu teoretski imuni na prikriveno nadziranje. Svaki pokušaj da se promatraju podaci između stranaka - a la Heisenbergov princip neizvjesnosti - bitno bi promijenio tu informaciju, brzo otkrivajući da je ona kompromitirana. Problem je bio pohranjivanje i čuvanje kubita, a zatim njihovo pretvaranje u fotone koji su spremni za optička vlakna, a upotreba dijamanata izgleda da je put ka postizanju oboje. Ali ne samo bilo koji dijamant, što je razlog zašto je Princetonov tim teško radio, stvarajući sintetičku, kao što opisuju u svom radu.

"Svojstva koja ciljamo su ono što je važno za kvantne mreže", kaže inženjer elektrotehnike Nathalie de Leon Inverzan, Na Princetonu, gdje je de Leon asistent, fokus njezina tima je u osnovi izmišljanje kvantnog hardvera. "To su aplikacije u kojima želite nešto što ima dugo vrijeme skladištenja, a zatim ima dobro sučelje s fotonima, tako da možete slati svjetlo na vrlo velike udaljenosti."

Fotonske interakcije su važne za međunarodne komunikacije velike brzine, jer sve informacije koje putuju duž optičkih kablova kreću se kroz našu globalnu infrastrukturu kao diskretni fotoni - krstareći brzinom od 69 posto brzine svjetlosti. (Lijepo.)

"To stavlja mnogo ograničenja na optičke karakteristike", kaže de Leon. “Kao jedan primjer, vrlo je važno da boja bude stabilna. Ako boja fotona skoči okolo tijekom vremena, onda je to stvarno loše za te protokole.

Trenutno, de Leonova skupina pokušava izraditi verziju ovih sintetičkih dijamanata koji se mogu pretvoriti u standardnu ​​valnu duljinu od 1.550 nanometara na kojoj fotoni sada prelaze optičke kabele. Trenutno sintetički dijamanti njezine ekipe podržavaju 946-nanometarske valne duljine fotona. (Fotonska boja je ovdje malo eufemizam jer su obje valne duljine nijanse infracrvenog spektra izvan vidljivog spektra.)

Prepreka koju je njezin tim upravo uspio preći jest pohranjivanje tih kubita u kristalnim kvantnim repetitorima, slično onima koji se trenutno koriste kako bi se spriječio gubitak i degradacija signala u današnjim optičkim komunikacijama. Kritični korak u tom procesu bio je proizvodnja sintetičkih dijamanata sa što manje neželjenih nečistoća (uglavnom dušika) i više nečistoća koje su doista željeli (silicij i bor).

"Ispostavlja se da je dušik prevladavajući nedostatak koji dobivate u tim dijamantima", kaže de Leon. Partneri njezine grupe u britanskom proizvođaču dijamanata Element Six morali su stvoriti natprosječne vakuumske uvjete jer čak i obični usisivači mogu ostaviti dovoljno dušika u komori da kontaminiraju umjetno napravljene kristale. Budući da dušik ima još jedan slobodan elektron od ugljika, onečišćenja dušikom narušavaju jedinstvenu električnu šminku za koju se istraživači nadaju.

Ostali mali nedostaci također mogu narušiti potencijal za pohranjivanje tih dijamanata.Cilj je imati parove slobodnih mjesta veličine kristala u kristalnom okviru uz zamijenjeni atom silicija u kojem je nekada bio jedan ugljik, ali ponekad ti parovi mogu biti skupljeni u "klasterima slobodnih mjesta" koji počinju redistribuirati svoje elektrone u neugodnim, kontraproduktivni načini. Ponekad poliranje i nagrizanje oštećenja na površini dijamanta također može uzrokovati domino efekt, kvarenje s ovim obrascem elektrona. To je mjesto gdje dodavanje bora - koji ima jedan manje slobodnog elektrona od ugljika - može pomoći.

"Ono što smo morali učiniti", kaže de Leon, "započinju s ovim dijamantom ultra visoke čistoće, a zatim rastu u nekom boru da bi u osnovi upili bilo koji dodatni elektroni koje nismo mogli kontrolirati. Tada je bilo mnogo obrade materijala - dosadnih stvari kao što je termičko žarenje i popravljanje površine na kraju kako bi se osiguralo da se još uvijek riješimo mnogih drugih vrsta defekata koji vam daju dodatne troškove.

Ovladavanje oba ova izazova, mnogi u polju sumnjaju, ključevi su za potpuno funkcioniranje i gotovo nemoguće razbiti kvantno šifriranje.

Prije zore sintetičkih dijamanata tek prije nekoliko godina, istraživači na području kvantne optike morali su se osloniti na prirodne dijamante da bi obavili svoj posao - posebice poseban dijamant.

Prema de Leonu, svi na području kvantne optike morali su se osloniti na jedan, prirodno napravljen dijamant iz Rusije koji se upravo dogodilo da imaju pravi postotak bora, dušika i drugih nečistoća kako bi njihova istraživanja bila moguća. Fragmenti dijamanta odcijepljeni su i distribuirani istraživačkim skupinama širom svijeta.

"Mnoge skupine imale su svoj mali dio" magije "ruskog dijamanta", kako je de Leon rekao za Princetonovu službu za vijesti iz 2016. godine. "Na Harvardu smo nazvali naše" Magic Alice "i" Magic Bob ".

Dakle, TL, DR, zapadni znanstvenici postaju sve bolji u proizvodnji svojih vlastitih čarobnih kvantnih računalnih dijamanata umjesto da ovise o trakama ruskog magičnog dijamanta kvantnog računanja. Ovo je činjenična rečenica koja zvuči smiješno. Classic 2018.