• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Att implantera diamanter med brister erbjuder nyckelteknologi för kvantkommunikation

    En Princeton-ledd forskargrupp har skapat diamanter som innehåller defekter som kan lagra och överföra kvantinformation för användning i ett framtida "kvantinternet". Defekterna kan ta och lagra kvantinformation i form av elektroner under relativt långa tidsperioder och länka den effektivt till fotoner. Kredit:Paul Stevenson, postdoktor vid Princeton University

    Diamanter är prisade för sin renhet, men deras brister kan vara nyckeln till en ny typ av mycket säker kommunikation.

    Forskare vid Princeton University använder diamanter för att skapa ett kommunikationsnätverk som bygger på en egenskap hos subatomära partiklar som kallas deras kvanttillstånd. Forskare tror att sådana kvantinformationsnätverk skulle vara extremt säkra och även skulle kunna tillåta nya kvantdatorer att arbeta tillsammans för att slutföra problem som för närvarande är olösliga. Men forskare som för närvarande designar dessa nätverk står inför flera utmaningar, inklusive hur man bevarar ömtålig kvantinformation över långa avstånd.

    Nu, forskare har kommit fram till en möjlig lösning med hjälp av syntetiska diamanter.

    I en artikel som publicerades denna vecka i tidskriften Vetenskap , forskarna beskriver hur de kunde lagra och överföra bitar av kvantinformation, känd som qubits, med hjälp av en diamant där de hade ersatt två kolatomer med en kiselatom.

    I vanliga kommunikationsnätverk, enheter som kallas repeatrar lagrar och återsänder kort signaler så att de kan resa längre avstånd. Nathalie de Leon, en biträdande professor i elektroteknik vid Princeton University och huvudforskaren, sa att diamanterna kunde fungera som kvantrepeater för nätverk baserade på qubits.

    Idén med en kvantrepeater har funnits länge, "men ingen visste hur man bygger dem, " sa de Leon. "Vi försökte hitta något som skulle fungera som huvudkomponenten i en kvantrepeater."

    Forskare vid Princeton University använder diamanter för att bevara ömtålig kvantinformation över långa avstånd. Kredit:Frank Wojciechowski för Princeton University

    Nyckelutmaningen med att skapa kvantrepeterare har varit att hitta ett material som både kan lagra och överföra kvantbitar. Än så länge, det bästa sättet att överföra qubits är att koda dem i ljuspartiklar, kallas fotoner. Optiska fibrer som för närvarande används över stora delar av nätverket överför redan information via fotoner. Dock, qubits i en optisk fiber kan bara färdas korta sträckor innan deras speciella kvantegenskaper går förlorade och informationen förvrängs. Det är svårt att fånga och lagra en foton, som per definition rör sig med ljusets hastighet.

    Istället, forskare har tittat på fasta ämnen som kristaller för att ge lagringen. I en kristall, som en diamant, qubits skulle teoretiskt kunna överföras från fotoner till elektroner, som är lättare att lagra. Nyckelplatsen för att genomföra en sådan överföring skulle vara brister i diamanten, platser där andra element än kol är fångade i diamantens kolgitter. Juvelerare har vetat i århundraden att föroreningar i diamanter ger olika färger. Till de Leons team, dessa färgcentra, som föroreningarna kallas, representerar en möjlighet att manipulera ljus och skapa en kvantrepeater.

    Tidigare forskare försökte först använda defekter som kallas kvävevakanser - där en kväveatom tar platsen för en av kolatomerna - men fann att även om dessa defekter lagrar information, de har inte de korrekta optiska egenskaperna. Andra bestämde sig då för att titta på vakanser i kisel - ersättningen av en kolatom med en kiselatom. Men lediga jobb i kisel, medan de kunde överföra informationen till fotoner, saknade långa sammanhållningstider.

    "Vi frågade, 'Vad vet vi om vad som orsakar begränsningarna hos dessa två färgcentra?', " sa de Leon. "Kan vi bara designa något annat från grunden, något som löser alla dessa problem?"

    Det Princeton-ledda teamet och deras medarbetare bestämde sig för att experimentera med den elektriska laddningen av defekten. Vakanser i kisel bör i teorin vara elektriskt neutrala, men det visar sig att andra närliggande föroreningar kan bidra med elektriska laddningar till defekten. Teamet trodde att det kunde finnas ett samband mellan laddningstillståndet och förmågan att hålla elektronsnurr i rätt riktning för att lagra qubits.

    Forskarna samarbetade med Element Six, ett industriellt diamanttillverkningsföretag, att konstruera elektriskt neutrala kiselvakanser. Element Sex började med att lägga ner lager av kolatomer för att bilda kristallen. Under processen, de tillsatte boratomer, som har effekten att tränga ut andra föroreningar som skulle kunna förstöra den neutrala laddningen.

    Optisk mikroskopbild av det skiktade provet odlat av Element Six. Kredit:Brendon Rose

    "Vi måste göra den här delikata dansen av avgiftskompensation mellan saker som kan lägga till avgifter eller ta bort avgifter, " sa de Leon. "Vi kontrollerar fördelningen av laddning från bakgrundsdefekterna i diamanterna, och det gör att vi kan kontrollera laddningstillståndet för de defekter som vi bryr oss om."

    Nästa, forskarna implanterade kiseljoner i diamanten, och värmde sedan upp diamanterna till höga temperaturer för att ta bort andra föroreningar som också kunde donera avgifter. Genom flera iterationer av materialteknik, plus analyser utförda i samarbete med forskare vid Gemological Institute of America, teamet producerade neutrala kiseljobb inom diamanter.

    Den neutrala kiselvakansen är bra på att både överföra kvantinformation med fotoner och lagra kvantinformation med elektroner, som är nyckelingredienser för att skapa den väsentliga kvantegenskapen som kallas intrassling, som beskriver hur par av partiklar förblir korrelerade även om de blir separerade. Entanglement är nyckeln till kvantinformationens säkerhet:mottagare kan jämföra mätningar av deras intrasslade par för att se om en avlyssnare har skadat ett av meddelandena.

    Nästa steg i forskningen är att bygga ett gränssnitt mellan den neutrala kiselvakansen och de fotoniska kretsarna för att föra fotonerna från nätverket in i och ut ur färgcentret.

    Ania Bleszynski Jayich, en fysikprofessor vid University of California, Santa Barbara, sa forskarna hade framgångsrikt mött en långvarig utmaning att hitta en diamantbrist med egenskaper som är gynnsamma för att arbeta med kvantegenskaper hos både fotoner och elektroner.

    "Framgången med författarnas materialtekniska tillvägagångssätt för att identifiera lovande solid-state-defektbaserade kvantplattformar belyser mångsidigheten hos solid-state-defekter och kommer sannolikt att inspirera till en mer omfattande och omfattande sökning över ett större tvärsnitt av material och defekta kandidater, sa Jayich, som inte var involverad i forskningen.

    Princeton-teamet inkluderade Brendon Rose, en postdoktoral forskarassistent, och doktorander Ding Huang och Zi-Huai Zhang, som är medlemmar i de Leons laboratorium. De Leon-teamet inkluderade också postdoktorala forskarassistenter Paul Stevenson, Sorawis Sangtawesin, och Srikanth Srinivasan, en tidigare postdoktor nu vid IBM. Ytterligare bidrag kom från personalforskaren Alexei Tyryshkin och professorn i elektroteknik Stephen Lyon. Teamet samarbetade med Lorne Loudin vid Gemological Institute of America och Matthew Markham, Andrew Edmonds och Daniel Twitchen på Element Six.

    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com