Quantennetzwerke nutzen die Eigenschaften der Verschränkung und Überlagerung, um Quanteninformationen sicher zwischen Netzwerkendbenutzern zu verteilen.
Diese Netzwerke bestehen aus zwei Arten von Knoten – Backbone-Knoten und Endbenutzerknoten –, die jeweils auf unterschiedliche Arten von Knoten angewiesen sind Technologie. Endbenutzerknoten können herkömmliche Telekommunikationsressourcen wie Laser und Detektoren nutzen, um mit den Backbone-Knoten zu kommunizieren.
Backbone-Knoten hingegen erfordern eine neue Art von Infrastruktur: einen Quanten-Repeater. Diese Repeater erfüllen eine ähnliche Funktion wie Verstärker in klassischen Kommunikationsnetzwerken, indem sie Verluste und Untreue korrigieren, die auftreten, wenn sich Quanteninformationen über große Entfernungen ausbreiten, können dies jedoch tun, ohne den Quantenzustand des Lichts zu stören, das durch das Netzwerk geht.
Damit lässt sich die unvermeidliche Streuung einzelner Lichtteilchen, sogenannter Photonen, beim Durchgang durch die beste Telekommunikationsfaser korrigieren. Als solche ermöglichen diese Repeater die Verbreitung von Quanteninformationen über Entfernungen, die ansonsten aufgrund von Photonenverlusten unmöglich wären.
Quantenrepeater werden als Rückgrat für ein zukünftiges Quanteninternet fungieren, das eine sichere und private Kommunikation ermöglichen wird – und damit zu einem zentralen Forschungsschwerpunkt des AWS Center for Quantum Networking.
Das Kernelement eines Quantenrepeaters ist ein Speicher-Qubit, das mit Licht interagiert. Dieses Qubit fängt die auf Licht codierten Informationen ein, speichert sie und führt zusammen mit anderen nahe gelegenen Qubits eine Fehlerkorrektur durch, um alle Fehler zu beseitigen, die möglicherweise während der Kommunikation aufgetreten sind.
Um funktionsfähig zu sein, müssen diese Speicher-Qubits zuverlässige Wechselwirkungen mit Licht im sichtbaren oder Telekommunikationsbereich aufweisen (was viele der führenden Qubit-Kandidaten aus der Quantencomputertechnik ausschließt, wie z. B. supraleitende Qubits) und vorzugsweise in Massenproduktion hergestellt werden können. Diese Anforderungen machen defekte Qubits, wie Farbzentren in Diamanten, zu führenden Kandidaten als Quanten-Repeater-Speicher.
Defekte in Festkörpern sind eine breite Klasse von Qubits, die aus einem oder mehreren Atomen bestehen, die einen Defekt in einem ansonsten einheitlichen, kristallinen Material bilden. Je nach Art des verwendeten Atoms und Materials wird das Qubit aus den elektronischen oder magnetischen Zuständen des/der defekten Atom(e) definiert.
Defekte Qubits kommen natürlicherweise in vielen Materialien vor und können oft künstlich durch die gezielte Implantation eines Wirtsmaterials mit dem Defektatom der Wahl eingeführt werden. Obwohl so viele Materialien in der Lage sind, defekte Qubits zu beherbergen, ist es eine herausfordernde Aufgabe, ein Material-Defekt-Paar zu finden, das eine bestimmte Kombination von Eigenschaften aufweist.
Obwohl sie reiner sind als andere natürliche Kristalle, enthalten sie während des langen, langsamen Wachstumsprozesses viele verschiedene Verunreinigungen aus der Umwelt. Diese Verunreinigungen verleihen Diamanten ihre vielfältigen Farben – von tiefem Blau bis hin zu leuchtendem Pink. In bestimmten Fällen machen Defekte in Diamanten sie jedoch nicht nur einzigartig und schön: Sie können auch als außergewöhnliche Qubits für Quantennetzwerkanwendungen fungieren.
Diamant beherbergt viele verschiedene Defekte, aber zwei Klassen von Diamantdefekt-Qubits haben sich als führende Kandidaten für Kommunikationsanwendungen herauskristallisiert: das Nitrogen-Vacancy Center (NV) und das Silicon-Vacancy Center (SiV). Sowohl NV als auch SiV werden gebildet, indem zwei benachbarte Kohlenstoffatome aus einem Diamantkristallgitter entfernt und durch ein einzelnes Stickstoff- bzw. Siliziumatom ersetzt werden.
Licht erinnern
Quanten-Repeater arbeiten, indem sie auf Photonen codierte Informationen auf ein stationäres Speicher-Qubit übertragen, wo die Informationen gespeichert und korrigiert werden können. Defekte Qubits wie Farbzentren sind gute Kandidaten für diese Operation, da sie natürlich eine effektive Schnittstelle mit Licht (der Quelle ihrer Farbe) haben und weil eine Teilmenge Zugriff auf einen langlebigen „Spin“-Speicher hat.
Dieser Spin kann als winziger Magnet betrachtet werden, der in jedem Elektron, Proton und Neutron innerhalb des Materials enthalten ist. Auf diesen Spinspeicher kann zugegriffen werden, indem das Qubit in einem Magnetfeld so platziert wird, dass sich die Spins entlang der Richtung des Felds ausrichten.
Der Speicher wird dann dadurch definiert, ob der Spin entlang oder entgegengesetzt zum Magnetfeld zeigt, was einem 1- bzw. 0-Bit entspricht. Wenn Licht von einem Farbzentrum abprallt, kann es dieses Spin-Qubit umdrehen, was die Übertragung von Informationen zwischen Licht und dem Spin-Speicher in einer sogenannten Spin-Photon-Schnittstelle ermöglicht. Farbzentren mit dieser Eigenschaft – wie NV und SiV – sind nützliche Kandidaten für Quantenrepeater.
Die NV und SiV unterscheiden sich von anderen Farbzentren dadurch, dass sie in Diamond gehostet werden, das mit einer Vielzahl von kompatibel ist Halbleiter verarbeitet und ist unter vielen verschiedenen Umgebungen chemisch inert und stabil.
Dies bedeutet, dass diese Qubits in Geräten im Nanomaßstab positioniert werden können, die für bestimmte Anwendungen entwickelt wurden. NVs werden beispielsweise häufig an der Spitze einer Rastersonde für die Mikroskopie oder in der Mitte einer halbkugelförmigen Linse oder von Säulen platziert, die zum effizienten Sammeln von Licht verwendet werden.
SiVs, die weniger umweltempfindlich sind, können in noch kleineren Strukturen platziert werden. Sie werden üblicherweise in Wellenleitern und Hohlräumen photonischer Kristalle mit einem Durchmesser von nur 100 Nanometern verwendet.
Das SiV ist Teil einer gut untersuchten Klasse von Defekten, die als „Gruppe IV“-Defekte bekannt sind, die durch ihre Position im Periodensystem angegeben sind und sich durch ihre geringe Empfindlichkeit gegenüber magnetischen und elektrischen Feldfluktuationen auszeichnen, die an den Oberflächen auftreten der meisten Materialien.
Diese reduzierte Empfindlichkeit ermöglicht es, das SiV in kleineren Strukturen zu platzieren – was wiederum die Zuverlässigkeit verbessert, mit der sie mit Licht interagieren. Ein SiV-Defekt hat auch andere Eigenschaften, die ihn für Quantennetzwerkoperationen gut geeignet machen.
Es hat eine Kohärenzzeit von bis zu 10 Millisekunden und einen sekundären Kernspinspeicher, der länger als eine Sekunde leben kann. SiVs können einzeln mit hoher Genauigkeit gesteuert und ausgelesen werden, mit einer Auslesetreue von 99.98 %, einer Single-Qubit-Gate-Genauigkeit von besser als 99 % und einer Spin-Photon-Gate-Genauigkeit von besser als 95 %.
Unter Verwendung der synthetischen Diamanten von Element Six wurden diese Merkmale von einem Team von Harvard- und MIT-Wissenschaftlern kombiniert, um eine speicherverbesserte Quantenkommunikation zu ermöglichen, ein Maßstab, der bedeutet, dass das SiV die Kommunikation über größere Entfernungen ermöglichen wird, als dies ohne Repeater möglich wäre.
Das Engineering und die Skalierung der Technologie rund um das SiV sollte einen weit verbreiteten Einsatz dieser Technologie ermöglichen – und dieses Engineering beginnt mit dem Diamantmaterial selbst.
In natürlichem Diamant reduziert die Anzahl unerwünschter Defektatome die Kohärenz-, optischen und Spin-Eigenschaften von Farbzentren wie NV und SiV. Glücklicherweise hat das Aufkommen des synthetischen Diamantwachstums die Verringerung dieser unerwünschten Mängel ermöglicht.
Fortschritte in der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) in den letzten 20 Jahren haben das Wachstum einzelner Diamantplatten mit ausreichender Reinheit und Ordnung für Quantenanwendungen ermöglicht. Das PECVD-Wachstum ermöglicht die Bildung von Diamanten, die hundert- oder tausendmal reiner sind als der Regent-Diamant, der berühmte reine Naturdiamant, der im Louvre ausgestellt ist.
Im besten PECVD-Diamanten sind weniger als eins von einer Million Atome Verunreinigungen – im Vergleich zu einem von tausend bei den meisten natürlichen Diamanten.
Weitere Investitionen in die PECVD-Diamanttechnologie werden entscheidend sein, um ihre Nutzung für Quantenanwendungen zu ermöglichen. Die Verbesserung der Kontrolle über die Arten von Defekten, die während des Diamantwachstums erzeugt werden, und das Material, das während des Diamantwachstums eingebaut wird, die Erweiterung der verschiedenen Morphologien von Diamanten, die in Massenproduktion hergestellt werden können, und die Reduzierung der Kosten ihrer Herstellung werden für den Fortschritt auf diesem Gebiet entscheidend sein
Die optischen und Quanteneigenschaften von Diamant machen ihn einzigartig vielversprechend für Quantennetzwerk- und Quantenkommunikationsanwendungen – aber der Mangel an weit verbreitetem Zugang zu verschiedenen Qualitäten und Morphologien von Diamant ist seit langem eine Herausforderung für das Gebiet.
Element Six und AWS arbeiten zusammen, um neue Technologien zu entwickeln, um Diamanten zu einem flexibleren und zugänglicheren Material zu machen – und dabei zu helfen, Wachstum und Fortschritt für diese Technologie voranzutreiben.
Während das Feld noch viele grundlegende und technische Fragen aufwirft, zielt diese Zusammenarbeit zwischen AWS und Element Six darauf ab, eine skalierbare synthetische Diamantlösung zu entwickeln, die mit einer effizienten Photon-Spin-Interaktion und -Steuerung vereinbar ist, die verwendet werden könnte, um die Entwicklung von Quantentechnologien voranzutreiben, einschließlich sicherer Netzwerke, Sensoren oder Computer, in der Zukunft.
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