تستخدم الشبكات الكمية خصائص التشابك والتراكب لتوزيع المعلومات الكمية بشكل آمن بين مستخدمي الشبكة النهائيين.
تتكون هذه الشبكات من نوعين من العقد – العقد الأساسية وعقد المستخدم النهائي – يعتمد كل منهما على أنواع مختلفة من العقد التكنلوجيا. يمكن لعقد المستخدم النهائي استخدام موارد الاتصالات التقليدية مثل أجهزة الليزر وأجهزة الكشف للتواصل مع العقد الأساسية.
من ناحية أخرى ، ستتطلب العقد الأساسية نوعًا جديدًا من البنية التحتية: مكرر كمي. تخدم هذه المكررات وظيفة مماثلة كمضخمات في شبكات الاتصال الكلاسيكية من خلال تصحيح الخسارة والخيانة التي تحدث عندما تنتشر المعلومات الكمومية عبر مسافات طويلة ، ولكنها قادرة على القيام بذلك دون تعطيل الحالة الكمومية للضوء الذي يمر عبر الشبكة.
هذا يجعل من الممكن تصحيح التشتت الذي لا مفر منه لجسيمات الضوء الفردية ، والمعروفة باسم الفوتونات ، لأنها تمر عبر أفضل ألياف الاتصالات السلكية واللاسلكية. على هذا النحو ، تتيح هذه المكررات انتشار المعلومات الكمية عبر مسافات كان من المستحيل لولا ذلك بسبب فقدان الفوتون.
ستعمل أجهزة إعادة الإرسال الكمومية كعمود فقري لإنترنت كمي مستقبلي مما سيمكن من الاتصال الآمن والخاص - مما يجعلها محورًا مركزيًا للبحث في مركز AWS للشبكات الكمية.
العنصر الأساسي لمكرر الكم هو كيوبت ذاكرة يتفاعل مع الضوء. يلتقط هذا الكيوبت المعلومات المشفرة على الضوء ويخزنها ويقوم ، جنبًا إلى جنب مع الكيوبتات الأخرى المجاورة ، بتصحيح الأخطاء لإزالة أي أخطاء قد تكون حدثت أثناء الاتصال.
لكي تكون قابلة للتطبيق ، تحتاج كيوبتات الذاكرة هذه إلى تفاعلات موثوقة مع الضوء في المجال المرئي أو مجال الاتصالات (يستبعد العديد من الكيوبتات المرشحة الرائدة من الحساب الكمي ، مثل الكيوبتات فائقة التوصيل) ويفضل أن تكون مجدية للإنتاج بالجملة. هذه المتطلبات تجعل الكيوبتات المعيبة ، مثل مراكز الألوان في الماس ، مرشحة رائدة كذكريات مكرر الكم.
العيوب في المواد الصلبة هي فئة واسعة من الكيوبتات تتكون من ذرة واحدة أو أكثر تشكل عيبًا داخل مادة بلورية موحدة. اعتمادًا على نوع الذرة والمواد المستخدمة ، يتم تعريف الكيوبت من الحالات الإلكترونية أو المغناطيسية لذرة (ذرات) العيب.
توجد الكيوبتات المعيبة في العديد من المواد بشكل طبيعي ، ويمكن غالبًا إدخالها بشكل مصطنع من خلال الزرع المستهدف لمادة مضيفة مع ذرة العيب المختارة. على الرغم من قدرة العديد من المواد على استضافة كيوبتات معيبة ، فإن العثور على زوج عيب في المادة يحتوي على أي مجموعة محددة من الخصائص يعد مهمة صعبة.
على الرغم من كونها أكثر نقاءً من البلورات الطبيعية الأخرى ، إلا أنها تحتوي على العديد من الشوائب المختلفة الموجودة في البيئة أثناء عملية النمو البطيئة الطويلة. هذه الشوائب هي التي تعطي الماس ألوانه المتنوعة - تتراوح من الأزرق الداكن إلى الوردي الفاتح. ومع ذلك ، في بعض الحالات ، تعمل العيوب في الماس أكثر من جعلها فريدة وجميلة: يمكنها أيضًا أن تكون بمثابة كيوبتات استثنائية لتطبيقات الشبكات الكمومية.
تستضيف Diamond العديد من العيوب المختلفة ، ولكن ظهرت فئتان من كيوبتات عيوب الماس كمرشحين رائدين لتطبيقات الاتصالات: مركز النيتروجين الشاغر (NV) ومركز السيليكون الشاغر (SiV). يتم تشكيل كل من NV و SiV عن طريق إزالة ذرتين متجاورتين من الكربون من شبكة بلورية ماسية ، واستبدالها بذرة نيتروجين أو سيليكون واحدة ، على التوالي.
تذكر الضوء
تعمل أجهزة إعادة الإرسال الكمومية عن طريق نقل المعلومات المشفرة على الفوتونات إلى كيوبت ذاكرة ثابتة حيث يمكن تخزين المعلومات وتصحيحها. تعتبر الكيوبتات المعيبة ، مثل مراكز الألوان ، مرشحة جيدة لهذه العملية لأنها تتمتع بطبيعة الحال بواجهة فعالة مع الضوء (مصدر لونها) ولأن مجموعة فرعية لديها إمكانية الوصول إلى ذاكرة "دوران" طويلة الأمد.
يمكن اعتبار هذا الدوران كمغناطيس صغير موجود داخل كل إلكترون وبروتون ونيوترون داخل المادة. يمكن الوصول إلى ذاكرة الدوران هذه عن طريق وضع الكيوبت في مجال مغناطيسي بحيث تتجه الدورات على طول اتجاه المجال.
ثم يتم تحديد الذاكرة من خلال ما إذا كان الدوران يشير على طول أو عكس المجال المغناطيسي ، والذي يتوافق مع 1 أو 0 بت على التوالي. عندما يرتد الضوء عن مركز اللون ، يمكنه قلب كيوبت الدوران هذا ، مما يجعل نقل المعلومات بين الضوء وذاكرة الدوران ممكنًا فيما يعرف بواجهة الفوتون الدوراني. تعد مراكز الألوان التي تحتوي على هذه الخاصية - مثل NV و SiV - مرشحة مفيدة لمكررات الكم.
تختلف NV و SiV عن مراكز الألوان الأخرى من خلال استضافتها في الماس ، وهو متوافق مع مجموعة متنوعة من أشباه الموصلات العمليات وخامل كيميائيًا ومستقرًا في العديد من البيئات المختلفة.
هذا يعني أنه يمكن وضع هذه الكيوبتات داخل أجهزة نانوية مصممة لتطبيقات محددة. على سبيل المثال ، غالبًا ما يتم وضع NVs على طرف مسبار المسح للفحص المجهري ، أو في وسط عدسة نصف كروية أو أعمدة تستخدم لجمع الضوء بكفاءة.
يمكن وضع SiVs ، الأقل حساسية للبيئة ، داخل هياكل أصغر. يتم استخدامها بشكل شائع داخل الأدلة الموجية والتجويفات البلورية الضوئية التي لا يتجاوز عرضها 100 نانومتر.
SiV هو جزء من فئة مدروسة جيدًا من العيوب ، والمعروفة باسم عيوب "المجموعة الرابعة" ، والتي يتم تحديدها من خلال موقعها في الجدول الدوري ، والتي تتميز بحساسيتها المنخفضة لتقلبات المجال المغناطيسي والكهربائي ، والتي تحدث على الأسطح من معظم المواد.
تتيح هذه الحساسية المنخفضة إمكانية وضع SiV داخل هياكل أصغر - مما يؤدي بدوره إلى تحسين الموثوقية التي تتفاعل بها مع الضوء. يحتوي عيب SiV أيضًا على خصائص أخرى تجعله مناسبًا تمامًا لعمليات الشبكات الكمية.
لديها وقت تماسك يصل إلى 10 مللي ثانية ، وذاكرة دوران نووية ثانوية يمكن أن تعيش أكثر من ثانية. يمكن التحكم في SiVs وقراءتها بشكل فردي بدقة عالية ، بدقة قراءة 99.98٪ ، دقة بوابة كيوبت واحدة أفضل من 99٪ ، ودوران بوابة فوتون أفضل من 95٪.
باستخدام الماس الصناعي الخاص بـ Element Six ، تم الجمع بين هذه الميزات من قبل فريق من علماء جامعة هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لتمكين الاتصال الكمي المعزز بالذاكرة ، وهو معيار يعني أن SiV سيمكن الاتصال عبر مسافات أطول مما يمكن أن يكون ممكنًا بدون مكررات.
يجب أن تجعل الهندسة وتوسيع نطاق التكنولوجيا المحيطة بـ SiV نشر هذه التقنية على نطاق واسع ممكنًا - وتبدأ هذه الهندسة بمادة الماس نفسها.
في الماس الطبيعي ، يقلل عدد ذرات العيوب غير المرغوب فيها من خصائص التماسك والضوئية والدورانية لمراكز الألوان مثل NV و SiV. لحسن الحظ ، أدى ظهور الماس الصناعي إلى تقليل هذه العيوب غير المرغوب فيها.
إن التقدم في ترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما (PECVD) على مدار العشرين عامًا الماضية قد أتاح نمو صفائح فردية من الماس بدرجة نقاء وانتظام كافية للتطبيقات الكمومية. ويمكّن نمو PECVD من تكوين ألماس أنقى بمئات أو آلاف المرات من ألماسة ريجنت، الماسة الطبيعية النقية المشهورة والمعروضة في متحف اللوفر.
في أفضل الماس PECVD ، أقل من ذرة واحدة في المليون من الشوائب - مقارنة بواحدة في الألف لمعظم الماس الطبيعي.
سيكون الاستمرار في الاستثمار في تقنية الماس PECVD أمرًا بالغ الأهمية لتمكين استخدامها في التطبيقات الكمية. سيكون تحسين التحكم في أنواع العيوب التي تم إنشاؤها والمواد المدمجة أثناء نمو الماس ، وتوسيع الأشكال المختلفة للماس التي يمكن إنتاجها بكميات كبيرة ، وتقليل تكلفة تصنيعها أمرًا بالغ الأهمية لتقدم هذا المجال
الخصائص البصرية والكمية للماس تجعله واعدًا بشكل فريد لشبكات الكم وتطبيقات الاتصالات الكمومية - لكن الافتقار إلى الوصول الواسع إلى الدرجات والتشكيلات المختلفة للماس كان منذ فترة طويلة تحديًا لهذا المجال.
يعمل Element Six و AWS معًا لتطوير تقنيات جديدة لجعل الماس مادة أكثر مرونة ويمكن الوصول إليها - مما يساعد على دفع النمو والتقدم لهذه التكنولوجيا.
في حين أن المجال لا يزال يطرح العديد من الأسئلة الأساسية والتقنية ، فإن هذا التعاون بين AWS و Element Six يهدف إلى تطوير حل الماس الاصطناعي القابل للتطوير بما يتوافق مع التفاعل والتحكم الفعال للفوتون الدوراني ، والذي يمكن استخدامه لتعزيز تطوير التقنيات الكمية ، بما في ذلك الأمان الشبكات أو أجهزة الاستشعار أو أجهزة الكمبيوتر في المستقبل.
عرض المزيد : وحدات IGBT | شاشات الكريستال السائل | مكونات إلكترونية