Las redes cuánticas utilizan las propiedades de entrelazamiento y superposición para distribuir de forma segura la información cuántica entre los usuarios finales de la red.
Estas redes constan de dos tipos de nodos (nodos troncales y nodos de usuario final), cada uno de los cuales depende de diferentes tipos de la tecnología. Los nodos de usuario final pueden utilizar recursos de telecomunicaciones tradicionales, como láseres y detectores, para comunicarse con los nodos troncales.
Los nodos backbone, por otro lado, requerirán un nuevo tipo de infraestructura: un repetidor cuántico. Estos repetidores cumplen una función similar a la de los amplificadores en las redes de comunicación clásicas al corregir la pérdida y la infidelidad que ocurren cuando la información cuántica se propaga a largas distancias, pero pueden hacerlo sin interrumpir el estado cuántico de la luz que pasa a través de la red.
Esto hace posible corregir la dispersión inevitable de partículas individuales de luz, conocidas como fotones, cuando atraviesan incluso la mejor fibra de telecomunicaciones. Como tales, estos repetidores hacen posible la difusión de información cuántica a distancias que de otro modo serían imposibles debido a la pérdida de fotones.
Los repetidores cuánticos actuarán como la columna vertebral de una futura Internet cuántica que permitirá una comunicación segura y privada, lo que los convertirá en un foco central de investigación en el Centro de redes cuánticas de AWS.
El elemento central de un repetidor cuántico es un qubit de memoria que interactúa con la luz. Este qubit capta la información codificada en la luz, la almacena y, junto con otros qubits cercanos, realiza la corrección de errores para eliminar cualquier error que pueda haber ocurrido durante la comunicación.
Para ser viables, estos qubits de memoria deben tener interacciones confiables con la luz en el dominio visible o de telecomunicaciones (descartando a muchos de los principales candidatos a qubits de la computación cuántica, como los qubits superconductores) y preferiblemente ser factibles de producir en masa. Estos requisitos hacen que los qubits defectuosos, como los centros de color en el diamante, sean los principales candidatos como memorias repetidoras cuánticas.
Los defectos en los sólidos son una amplia clase de qubits que consisten en uno o más átomos que forman un defecto dentro de un material cristalino uniforme. Dependiendo del tipo de átomo y material utilizado, el qubit se define a partir de los estados electrónicos o magnéticos de los átomos defectuosos.
Los qubits defectuosos se encuentran en muchos materiales de forma natural y, a menudo, se pueden introducir artificialmente mediante la implantación dirigida de un material huésped con el átomo defectuoso elegido. A pesar de que tantos materiales son capaces de albergar qubits defectuosos, encontrar un par material-defecto que tenga una combinación específica de propiedades es una tarea desafiante.
A pesar de ser más puros que otros cristales naturales, contienen muchas impurezas diferentes incorporadas del medio ambiente durante el largo y lento proceso de crecimiento. Estas impurezas son las que dan a los diamantes su amplia gama de colores, que van desde el azul profundo hasta el rosa brillante. Sin embargo, en ciertos casos, los defectos en el diamante hacen más que hacerlos únicos y hermosos: también pueden actuar como qubits excepcionales para aplicaciones de redes cuánticas.
Diamond alberga muchos defectos diferentes, pero han surgido dos clases de qubits con defectos de diamante como candidatos principales para aplicaciones de comunicaciones: el Nitrogen-Vacancy Center (NV) y el Silicon-Vacancy Center (SiV). Tanto el NV como el SiV se forman eliminando dos átomos de carbono adyacentes de una red cristalina de diamante y reemplazándolos con un solo átomo de nitrógeno o silicio, respectivamente.
recordando la luz
Los repetidores cuánticos funcionan transfiriendo información codificada en fotones a un qubit de memoria estacionario donde la información puede almacenarse y corregirse. Los qubits defectuosos, como los centros de color, son buenos candidatos para esta operación porque naturalmente tienen una interfaz efectiva con la luz (la fuente de su color) y porque un subconjunto tiene acceso a una memoria de "giro" de larga duración.
Este giro se puede considerar como un pequeño imán contenido dentro de cada electrón, protón y neutrón dentro del material. Se puede acceder a esta memoria de giro colocando el qubit en un campo magnético de modo que los giros se orienten a lo largo de la dirección del campo.
Luego, la memoria se define por si el espín apunta a lo largo o en dirección opuesta al campo magnético, lo que corresponde a un bit 1 o 0 respectivamente. Cuando la luz rebota en un centro de color, puede voltear este qubit de espín, lo que hace posible la transferencia de información entre la luz y la memoria de espín en lo que se conoce como una interfaz de espín-fotón. Los centros de color con esta propiedad, como NV y SiV, son candidatos útiles para los repetidores cuánticos.
El NV y el SiV se diferencian de otros centros de color por estar alojados en diamante, que es compatible con una amplia variedad de Semiconductores procesos y es químicamente inerte y estable en muchos ambientes diferentes.
Esto significa que estos qubits se pueden colocar dentro de dispositivos a nanoescala diseñados para aplicaciones específicas. Los NV, por ejemplo, a menudo se colocan en la punta de una sonda de escaneo para microscopía, o en el centro de una lente hemisférica o pilares utilizados para recolectar luz de manera eficiente.
Los SiV, que son menos sensibles al medio ambiente, se pueden colocar dentro de estructuras incluso más pequeñas. Se usan comúnmente dentro de guías de ondas y cavidades de cristal fotónico de solo 100 nanómetros de ancho.
El SiV forma parte de una clase de defectos bien estudiada, conocida como defectos del “Grupo IV”, dada su ubicación en la tabla periódica, que se caracterizan por su baja sensibilidad a las fluctuaciones del campo magnético y eléctrico, que se producen en las superficies. de la mayoría de los materiales.
Esta sensibilidad reducida hace posible que el SiV se coloque dentro de estructuras más pequeñas, lo que a su vez mejora la confiabilidad con la que interactúan con la luz. Un defecto de SiV también tiene otras propiedades que lo hacen adecuado para operaciones de redes cuánticas.
Tiene un tiempo de coherencia de hasta 10 milisegundos y una memoria secundaria de espín nuclear que puede vivir más de un segundo. Los SiV se pueden controlar y leer individualmente con alta precisión, con una fidelidad de lectura del 99.98 %, una fidelidad de compuerta de un solo qubit superior al 99 % y una fidelidad de compuerta de fotones espín superior al 95 %.
Usando los diamantes sintéticos de Element Six, estas características han sido combinadas por un equipo de científicos de Harvard y MIT para permitir la comunicación cuántica mejorada con memoria, un punto de referencia que significa que el SiV permitirá la comunicación a distancias más largas de lo que sería posible sin repetidores.
La ingeniería y la ampliación de la tecnología que rodea al SiV deberían hacer posible el despliegue generalizado de esta tecnología, y esta ingeniería comienza con el propio material de diamante.
En el diamante natural, el número de átomos defectuosos no deseados reduce las propiedades de coherencia, ópticas y de espín de los centros de color como NV y SiV. Afortunadamente, la llegada del crecimiento de diamantes sintéticos ha hecho posible la reducción de estas imperfecciones no deseadas.
Los avances en la deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD) durante los últimos 20 años han permitido el crecimiento de placas individuales de diamante con suficiente pureza y orden para aplicaciones cuánticas. El crecimiento de PECVD permite la formación de diamantes cientos o miles de veces más puros que el Diamante Regente, el famoso diamante natural puro que se exhibe en el Louvre.
En el mejor diamante PECVD, menos de uno en un millón de átomos son impurezas, en comparación con uno en mil para la mayoría de los diamantes naturales.
Seguir invirtiendo en la tecnología de diamantes PECVD será fundamental para permitir su utilización en aplicaciones cuánticas. Mejorar el control sobre los tipos de defectos creados y el material incorporado durante el crecimiento del diamante, ampliar las diferentes morfologías de los diamantes que se pueden producir en masa y reducir el costo de su fabricación será fundamental para el avance de este campo.
Las propiedades ópticas y cuánticas del diamante lo hacen excepcionalmente prometedor para aplicaciones de comunicaciones cuánticas y redes cuánticas, pero la falta de acceso generalizado a diferentes grados y morfologías de diamantes ha sido durante mucho tiempo un desafío para el campo.
Element Six y AWS están trabajando juntos para desarrollar nuevas tecnologías para hacer que el diamante sea un material más flexible y accesible, lo que ayuda a impulsar el crecimiento y el progreso de esta tecnología.
Si bien el campo aún presenta muchas preguntas técnicas y fundamentales, esta colaboración entre AWS y Element Six tiene como objetivo desarrollar una solución escalable de diamantes sintéticos consistente con una interacción y control eficientes de espín de fotones, que podría usarse para avanzar en el desarrollo de tecnologías cuánticas, incluida la seguridad redes, sensores o computadoras, en el futuro.
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