Jaringan kuantum menggunakan properti keterikatan dan superposisi untuk mendistribusikan informasi kuantum dengan aman di antara pengguna akhir jaringan.
Jaringan ini terdiri dari dua jenis node – node backbone dan node pengguna akhir – yang masing-masing bergantung pada tipe berbeda teknologi. Node pengguna akhir dapat menggunakan sumber daya telekomunikasi tradisional seperti laser dan detektor untuk berkomunikasi dengan node tulang punggung.
Node tulang punggung, di sisi lain, akan membutuhkan jenis infrastruktur baru: pengulang kuantum. Repeater ini melayani fungsi yang sama seperti amplifier dalam jaringan komunikasi klasik dengan mengoreksi kehilangan dan ketidaksetiaan yang terjadi saat informasi kuantum merambat jarak jauh, namun mampu melakukannya tanpa mengganggu keadaan kuantum cahaya yang melewati jaringan.
Hal ini memungkinkan untuk memperbaiki hamburan partikel cahaya yang tidak dapat dihindari, yang dikenal sebagai foton, saat melewati serat telekomunikasi terbaik sekalipun. Dengan demikian, pengulang ini memungkinkan penyebaran informasi kuantum pada jarak yang tidak mungkin terjadi karena kehilangan foton.
Pengulang kuantum akan bertindak sebagai tulang punggung untuk internet kuantum masa depan yang akan memungkinkan komunikasi yang aman dan pribadi – menjadikannya fokus utama untuk penelitian di AWS Center for Quantum Networking.
Elemen inti dari pengulang kuantum adalah qubit memori yang berinteraksi dengan cahaya. Qubit ini menangkap informasi yang dikodekan pada cahaya, menyimpannya, dan, bersama dengan qubit terdekat lainnya, melakukan koreksi kesalahan untuk menghilangkan kesalahan yang mungkin terjadi selama komunikasi.
Agar layak, qubit memori ini harus memiliki interaksi yang andal dengan cahaya di domain terlihat atau telekomunikasi (mengesampingkan banyak kandidat qubit terkemuka dari perhitungan kuantum, seperti qubit superkonduktor) dan sebaiknya layak untuk diproduksi secara massal. Persyaratan ini membuat qubit cacat, seperti pusat warna pada berlian, memimpin kandidat sebagai memori pengulang kuantum.
Cacat pada padatan adalah kelas luas qubit yang terdiri dari satu atau lebih atom yang membentuk cacat di dalam bahan kristal yang seragam. Bergantung pada jenis atom dan bahan yang digunakan, qubit ditentukan dari keadaan elektronik atau magnetik dari atom cacat.
Qubit cacat ditemukan di banyak bahan secara alami, dan seringkali dapat diperkenalkan secara artifisial melalui implantasi yang ditargetkan dari bahan inang dengan atom cacat pilihan. Meskipun begitu banyak material yang mampu menampung qubit cacat, menemukan pasangan cacat material yang memiliki kombinasi properti tertentu adalah tugas yang menantang.
Meskipun lebih murni dari kristal alami lainnya, mengandung banyak kotoran berbeda yang tergabung dari lingkungan selama proses pertumbuhan yang lama dan lambat. Kotoran inilah yang memberi berlian warna yang beragam - mulai dari biru tua hingga merah muda cerah. Namun, dalam kasus-kasus tertentu, cacat pada berlian lebih dari sekadar membuatnya unik dan indah: mereka juga dapat bertindak sebagai qubit luar biasa untuk aplikasi jaringan kuantum.
Diamond memiliki banyak cacat yang berbeda, tetapi dua kelas qubit cacat berlian telah muncul sebagai kandidat utama untuk aplikasi komunikasi: Nitrogen-Vacancy Center (NV) dan Silicon-Vacancy Center (SiV). Baik NV dan SiV dibentuk dengan menghilangkan dua atom Karbon yang berdekatan dari kisi kristal berlian, dan menggantinya masing-masing dengan satu atom Nitrogen atau Silikon.
Mengingat cahaya
Pengulang kuantum beroperasi dengan mentransfer informasi yang dikodekan pada foton ke qubit memori stasioner tempat informasi dapat disimpan dan diperbaiki. Qubit cacat, seperti pusat warna, adalah kandidat yang baik untuk operasi ini karena mereka secara alami memiliki antarmuka yang efektif dengan cahaya (sumber warnanya) dan karena subset memiliki akses ke memori "spin" yang berumur panjang.
Putaran ini dapat dianggap sebagai magnet kecil yang terkandung di dalam setiap elektron, proton, dan neutron di dalam materi. Memori spin ini dapat diakses dengan menempatkan qubit dalam medan magnet sedemikian rupa sehingga spin berorientasi sepanjang arah medan.
Memori kemudian ditentukan oleh apakah putaran mengarah ke sepanjang atau berlawanan dengan medan magnet, yang masing-masing sesuai dengan 1 atau 0 bit. Saat cahaya memantul dari pusat warna, ia dapat membalik spin qubit ini, memungkinkan transfer informasi antara cahaya dan memori spin dalam apa yang dikenal sebagai antarmuka spin-foton. Pusat warna dengan properti ini – seperti NV dan SiV – adalah kandidat yang berguna untuk pengulang kuantum.
NV dan SiV berbeda dari pusat warna lain dengan dihosting dalam berlian, yang kompatibel dengan berbagai macam Semikonduktor proses dan kimia inert dan stabil di bawah banyak lingkungan yang berbeda.
Ini berarti bahwa qubit ini dapat diposisikan di dalam perangkat berskala nano yang dirancang untuk aplikasi tertentu. NVs, misalnya, sering ditempatkan di ujung probe pemindaian untuk mikroskop, atau di tengah lensa setengah bola atau pilar yang digunakan untuk mengumpulkan cahaya secara efisien.
SiVs, yang kurang sensitif terhadap lingkungan, dapat ditempatkan di dalam struktur yang lebih kecil. Mereka biasanya digunakan di dalam pandu gelombang dan rongga kristal fotonik hanya berukuran 100 nanometer.
SiV adalah bagian dari kelas cacat yang dipelajari dengan baik, yang dikenal sebagai cacat "Grup IV", yang diberikan oleh lokasinya pada tabel periodik, yang terkenal karena kepekaannya yang rendah terhadap fluktuasi medan magnet dan listrik, yang terjadi pada permukaan. dari sebagian besar bahan.
Sensitivitas yang berkurang ini memungkinkan SiV ditempatkan di dalam struktur yang lebih kecil – yang pada gilirannya meningkatkan keandalan interaksinya dengan cahaya. Cacat SiV juga memiliki sifat lain yang membuatnya cocok untuk operasi jaringan kuantum.
Ini memiliki waktu koherensi hingga 10 milidetik, dan memori putaran nuklir sekunder yang dapat hidup lebih dari satu detik. SiVs dapat dikontrol dan dibaca secara individual dengan akurasi tinggi, dengan kesetiaan pembacaan 99.98%, kesetiaan gerbang qubit tunggal lebih baik dari 99%, dan kesetiaan gerbang foton putar lebih baik dari 95%.
Dengan menggunakan berlian sintetis Elemen Enam, fitur-fitur ini telah digabungkan oleh tim ilmuwan Harvard dan MIT untuk memungkinkan komunikasi kuantum yang ditingkatkan memori, tolok ukur yang berarti bahwa SiV akan memungkinkan komunikasi jarak jauh lebih jauh daripada yang dimungkinkan tanpa pengulang.
Merekayasa dan meningkatkan teknologi di sekitar SiV harus memungkinkan penerapan teknologi ini secara luas—dan rekayasa ini dimulai dengan bahan berlian itu sendiri.
Dalam intan alami, jumlah atom cacat yang tidak diinginkan mengurangi sifat koherensi, optik, dan spin dari pusat warna seperti NV dan SiV. Untungnya, munculnya pertumbuhan berlian sintetis telah memungkinkan pengurangan ketidaksempurnaan yang tidak diinginkan ini.
Kemajuan dalam deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD) selama 20 tahun terakhir telah memungkinkan pertumbuhan pelat berlian individu dengan kemurnian dan keteraturan yang memadai untuk aplikasi kuantum. Pertumbuhan PECVD memungkinkan terbentuknya berlian yang ratusan atau ribuan kali lebih murni dibandingkan Regent Diamond, berlian alami murni yang terkenal dan dipamerkan di Louvre.
Dalam berlian PECVD terbaik, kurang dari satu dalam sejuta atom adalah pengotor – dibandingkan dengan satu dalam seribu untuk sebagian besar berlian alami.
Terus berinvestasi dalam teknologi berlian PECVD akan sangat penting untuk memungkinkan pemanfaatannya untuk aplikasi kuantum. Meningkatkan kontrol atas jenis cacat yang dibuat dan bahan yang dimasukkan selama pertumbuhan intan, memperluas morfologi intan yang berbeda yang dapat diproduksi secara massal, dan mengurangi biaya pembuatannya akan sangat penting untuk kemajuan bidang ini.
Properti optik dan kuantum Diamond membuatnya menjanjikan secara unik untuk jaringan kuantum dan aplikasi komunikasi kuantum – tetapi kurangnya akses luas ke berbagai tingkat dan morfologi berlian telah lama menjadi tantangan bagi bidang ini.
Element Six dan AWS bekerja sama untuk mengembangkan teknologi baru guna menjadikan berlian sebagai bahan yang lebih fleksibel dan mudah diakses – membantu mendorong pertumbuhan dan kemajuan teknologi ini.
Meskipun bidang ini masih menghadirkan banyak pertanyaan mendasar dan teknis, kolaborasi antara AWS dan Elemen Enam ini bertujuan untuk mengembangkan solusi berlian sintetis yang dapat diskalakan yang konsisten dengan interaksi dan kontrol putaran foton yang efisien, yang dapat digunakan untuk memajukan pengembangan teknologi kuantum, termasuk keamanan jaringan, sensor, atau komputer, di masa depan.
Lihat lebih banyak: modul IGBT | Layar LCD | Komponen Elektronik