Les réseaux quantiques utilisent les propriétés d'intrication et de superposition pour distribuer en toute sécurité les informations quantiques entre les utilisateurs finaux du réseau.
Ces réseaux se composent de deux types de nœuds – les nœuds de base et les nœuds d'utilisateurs finaux – dont chacun s'appuie sur différents types de nœuds. sans souci. Les nœuds des utilisateurs finaux peuvent utiliser des ressources de télécommunications traditionnelles telles que des lasers et des détecteurs pour communiquer avec les nœuds de base.
Les nœuds dorsaux, en revanche, nécessiteront un nouveau type d'infrastructure : un répéteur quantique. Ces répéteurs remplissent une fonction similaire à celle des amplificateurs dans les réseaux de communication classiques en corrigeant la perte et l'infidélité qui se produisent lorsque l'information quantique se propage sur de longues distances, mais sont capables de le faire sans perturber l'état quantique de la lumière qui traverse le réseau.
Cela permet de corriger la diffusion inévitable des particules individuelles de lumière, appelées photons, lorsqu'elles traversent même la meilleure fibre de télécommunication. En tant que tels, ces répéteurs permettent la propagation d'informations quantiques sur des distances qui seraient autrement impossibles en raison de la perte de photons.
Les répéteurs quantiques agiront comme l'épine dorsale d'un futur Internet quantique qui permettra une communication sécurisée et privée, ce qui en fera un axe central de la recherche au AWS Center for Quantum Networking.
L'élément central d'un répéteur quantique est un qubit de mémoire qui s'interface avec la lumière. Ce qubit capte les informations codées sur la lumière, les stocke et, avec d'autres qubits à proximité, effectue une correction d'erreur pour éliminer toute erreur qui aurait pu se produire pendant la communication.
Pour être viables, ces qubits de mémoire doivent avoir des interactions fiables avec la lumière dans le domaine visible ou des télécommunications (excluant bon nombre des principaux candidats qubits du calcul quantique, tels que les qubits supraconducteurs) et de préférence pouvoir être produits en masse. Ces exigences font des qubits défectueux, comme les centres de couleur dans le diamant, des candidats de premier plan en tant que mémoires à répétition quantique.
Les défauts dans les solides sont une large classe de qubits qui consistent en un ou plusieurs atomes formant un défaut à l'intérieur d'un matériau cristallin par ailleurs uniforme. Selon le type d'atome et de matériau utilisé, le qubit est défini à partir des états électroniques ou magnétiques du ou des atomes défectueux.
Les qubits défectueux se trouvent naturellement dans de nombreux matériaux et peuvent souvent être introduits artificiellement par l'implantation ciblée d'un matériau hôte avec l'atome défectueux de son choix. Bien que de nombreux matériaux soient capables d'héberger des qubits défectueux, trouver une paire matériau-défaut qui possède une combinaison spécifique de propriétés est une tâche difficile.
Bien qu'ils soient plus purs que les autres cristaux naturels, ils contiennent de nombreuses impuretés différentes provenant de l'environnement au cours du long et lent processus de croissance. Ces impuretés sont ce qui donne aux diamants leurs couleurs très variées - allant du bleu profond au rose vif. Dans certains cas, cependant, les défauts du diamant font plus que les rendre uniques et beaux : ils peuvent également agir comme des qubits exceptionnels pour les applications de réseau quantique.
Le diamant héberge de nombreux défauts différents, mais deux classes de qubits de défauts de diamant sont apparues comme les principaux candidats pour les applications de communication : le Nitrogen-Vacancy Center (NV) et le Silicon-Vacancy Center (SiV). Le NV et le SiV sont formés en retirant deux atomes de carbone adjacents d'un réseau cristallin de diamant et en les remplaçant par un seul atome d'azote ou de silicium, respectivement.
Se souvenir de la lumière
Les répéteurs quantiques fonctionnent en transférant des informations codées sur des photons sur un qubit de mémoire stationnaire où les informations peuvent être stockées et corrigées. Les qubits défectueux, tels que les centres de couleur, sont de bons candidats pour cette opération car ils ont naturellement une interface efficace avec la lumière (la source de leur couleur) et parce qu'un sous-ensemble a accès à une mémoire "spin" de longue durée.
Ce spin peut être considéré comme un petit aimant contenu à l'intérieur de chaque électron, proton et neutron du matériau. Cette mémoire de spin est accessible en plaçant le qubit dans un champ magnétique de sorte que les spins s'orientent dans la direction du champ.
La mémoire est alors définie selon que le spin pointe le long ou à l'opposé du champ magnétique, ce qui correspond respectivement à un bit 1 ou 0. Lorsque la lumière rebondit sur un centre de couleur, elle peut inverser ce qubit de spin, rendant possible le transfert d'informations entre la lumière et la mémoire de spin dans ce que l'on appelle une interface spin-photon. Les centres de couleur dotés de cette propriété - tels que le NV et le SiV - sont des candidats utiles pour les répéteurs quantiques.
Le NV et le SiV sont différents des autres centres de couleur en étant hébergés en diamant, ce qui est compatible avec une grande variété de Semi-conducteurs processus et est chimiquement inerte et stable dans de nombreux environnements différents.
Cela signifie que ces qubits peuvent être positionnés à l'intérieur de dispositifs à l'échelle nanométrique conçus pour des applications spécifiques. Les NV, par exemple, sont souvent placés à l'extrémité d'une sonde à balayage pour la microscopie, ou au centre d'une lentille hémisphérique ou de piliers utilisés pour collecter efficacement la lumière.
Les SiV, moins sensibles à l'environnement, peuvent être placés à l'intérieur de structures encore plus petites. Ils sont couramment utilisés à l'intérieur des guides d'ondes et des cavités à cristaux photoniques de seulement 100 nanomètres de diamètre.
Le SiV fait partie d'une classe bien étudiée de défauts, connus sous le nom de défauts du "Groupe IV", donnés par leur emplacement sur le tableau périodique, qui se distinguent par leur faible sensibilité aux fluctuations des champs magnétiques et électriques, qui se produisent au niveau des surfaces. de la plupart des matériaux.
Cette sensibilité réduite permet au SiV d'être placé à l'intérieur de structures plus petites, ce qui améliore à son tour la fiabilité avec laquelle ils interagissent avec la lumière. Un défaut SiV possède également d'autres propriétés qui le rendent bien adapté aux opérations de réseau quantique.
Il a un temps de cohérence allant jusqu'à 10 millisecondes et une mémoire de spin nucléaire secondaire qui peut vivre plus d'une seconde. Les SiV peuvent être contrôlés et lus individuellement avec une grande précision, avec une fidélité de lecture de 99.98 %, une fidélité de porte de qubit unique supérieure à 99 % et une fidélité de porte de photon de spin supérieure à 95 %.
En utilisant les diamants synthétiques d'Element Six, ces caractéristiques ont été combinées par une équipe de scientifiques de Harvard et du MIT pour permettre une communication quantique améliorée par la mémoire, une référence qui signifie que le SiV permettra la communication sur des distances plus longues que ce qui serait possible sans répéteurs.
L'ingénierie et la mise à l'échelle de la technologie entourant le SiV devraient permettre un déploiement à grande échelle de cette technologie - et cette ingénierie commence par le matériau diamant lui-même.
Dans le diamant naturel, le nombre d'atomes défectueux indésirables réduit les propriétés de cohérence, d'optique et de spin des centres de couleur comme le NV et le SiV. Heureusement, l'avènement de la croissance des diamants synthétiques a rendu possible la réduction de ces imperfections indésirables.
Les progrès réalisés dans le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) au cours des 20 dernières années ont permis la croissance de plaques individuelles de diamant présentant une pureté et un ordre suffisants pour les applications quantiques. La croissance PECVD permet la formation de diamants des centaines ou des milliers de fois plus purs que le Regent Diamond, le célèbre diamant naturel pur exposé au Louvre.
Dans le meilleur diamant PECVD, moins d'un atome sur un million contient des impuretés, contre un sur mille pour la plupart des diamants naturels.
Continuer à investir dans la technologie du diamant PECVD sera essentiel pour permettre son utilisation pour des applications quantiques. L'amélioration du contrôle des types de défauts créés et des matériaux incorporés lors de la croissance du diamant, l'élargissement des différentes morphologies de diamants pouvant être produits en masse et la réduction du coût de leur fabrication seront essentiels à l'avancement de ce domaine.
Les propriétés optiques et quantiques du diamant le rendent particulièrement prometteur pour les applications de réseautage quantique et de communication quantique - mais le manque d'accès généralisé aux différentes qualités et morphologies de diamant a longtemps été un défi pour le domaine.
Element Six et AWS travaillent ensemble pour développer de nouvelles technologies afin de faire du diamant un matériau plus flexible et accessible, contribuant ainsi à stimuler la croissance et le progrès de cette technologie.
Alors que le domaine présente encore de nombreuses questions fondamentales et techniques, cette collaboration entre AWS et Element Six vise à développer une solution de diamant synthétique évolutive compatible avec une interaction et un contrôle photon-spin efficaces, qui pourrait être utilisée pour faire avancer le développement de technologies quantiques, y compris la sécurité réseaux, capteurs ou ordinateurs, à l'avenir.
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