Le reti quantistiche utilizzano le proprietà dell'entanglement e della sovrapposizione per distribuire in modo sicuro le informazioni quantistiche tra gli utenti finali della rete.
Queste reti sono costituite da due tipi di nodi – nodi backbone e nodi utente finale – ciascuno dei quali si basa su diversi tipi di la tecnologia. I nodi degli utenti finali possono utilizzare risorse di telecomunicazioni tradizionali come laser e rilevatori per comunicare con i nodi backbone.
I nodi backbone, invece, richiederanno un nuovo tipo di infrastruttura: un ripetitore quantistico. Questi ripetitori svolgono una funzione simile a quella degli amplificatori nelle reti di comunicazione classiche, correggendo la perdita e l'infedeltà che si verificano quando l'informazione quantistica si propaga su lunghe distanze, ma sono in grado di farlo senza interrompere lo stato quantico della luce che passa attraverso la rete.
Ciò consente di correggere l'inevitabile dispersione di singole particelle di luce, note come fotoni, mentre attraversano anche la migliore fibra per telecomunicazioni. In quanto tali, questi ripetitori rendono possibile la diffusione di informazioni quantistiche su distanze che sarebbero altrimenti impossibili a causa della perdita di fotoni.
I ripetitori quantistici fungeranno da spina dorsale per un futuro Internet quantistico che consentirà comunicazioni sicure e private, rendendoli un punto centrale per la ricerca presso il Centro AWS per il Quantum Networking.
L'elemento centrale di un ripetitore quantistico è un qubit di memoria che si interfaccia con la luce. Questo qubit cattura le informazioni codificate sulla luce, le memorizza e, insieme ad altri qubit vicini, esegue la correzione degli errori per eliminare eventuali errori che potrebbero essersi verificati durante la comunicazione.
Per essere fattibili, questi qubit di memoria devono avere interazioni affidabili con la luce nel dominio visibile o delle telecomunicazioni (escludendo molti dei principali candidati qubit dal calcolo quantistico, come i qubit superconduttori) e preferibilmente essere fattibili per la produzione in serie. Questi requisiti rendono i qubit difettosi, come i centri di colore nel diamante, i principali candidati come memorie ripetitrici quantistiche.
I difetti nei solidi sono un'ampia classe di qubit costituiti da uno o più atomi che formano un difetto all'interno di un materiale cristallino altrimenti uniforme. A seconda del tipo di atomo e materiale utilizzato, il qubit è definito dagli stati elettronici o magnetici dell'atomo o degli atomi difettosi.
I qubit difettosi si trovano naturalmente in molti materiali e spesso possono essere introdotti artificialmente attraverso l'impianto mirato di un materiale ospite con l'atomo difetto prescelto. Nonostante così tanti materiali siano in grado di ospitare qubit difettosi, trovare una coppia materiale-difetto che abbia una combinazione specifica di proprietà è un compito impegnativo.
Nonostante siano più puri di altri cristalli naturali, contengono molte diverse impurità incorporate dall'ambiente durante il lungo e lento processo di crescita. Queste impurità sono ciò che conferisce ai diamanti i loro colori molto diversi, che vanno dal blu intenso al rosa brillante. In alcuni casi, tuttavia, i difetti nel diamante non si limitano a renderlo unico e bello: possono anche fungere da qubit eccezionali per applicazioni di networking quantistico.
Il diamante ospita molti difetti diversi, ma due classi di qubit con difetti del diamante sono emerse come candidati principali per le applicazioni di comunicazione: il Nitrogen-Vacancy Center (NV) e il Silicon-Vacancy Center (SiV). Sia il NV che il SiV si formano rimuovendo due atomi di carbonio adiacenti da un reticolo cristallino di diamante e sostituendoli rispettivamente con un singolo atomo di azoto o silicio.
Ricordare la luce
I ripetitori quantistici operano trasferendo le informazioni codificate sui fotoni su un qubit di memoria stazionario dove le informazioni possono essere memorizzate e corrette. I qubit difettosi, come i centri di colore, sono buoni candidati per questa operazione perché hanno naturalmente un'interfaccia efficace con la luce (la fonte del loro colore) e perché un sottoinsieme ha accesso a una memoria di "spin" di lunga durata.
Questo spin può essere pensato come un minuscolo magnete contenuto all'interno di ogni elettrone, protone e neutrone all'interno del materiale. È possibile accedere a questa memoria di spin posizionando il qubit in un campo magnetico in modo tale che gli spin si orientino lungo la direzione del campo.
La memoria viene quindi definita dal fatto che lo spin sia rivolto lungo o opposto al campo magnetico, che corrisponde rispettivamente a 1 o 0 bit. Quando la luce rimbalza su un centro di colore, può capovolgere questo spin qubit, rendendo possibile il trasferimento di informazioni tra la luce e la memoria di spin in quella che è nota come interfaccia spin-fotone. I centri di colore con questa proprietà, come NV e SiV, sono candidati utili per i ripetitori quantistici.
L'NV e il SiV sono diversi dagli altri centri di colore essendo ospitati in diamante, che è compatibile con un'ampia varietà di Semiconduttore processi ed è chimicamente inerte e stabile in molti ambienti diversi.
Ciò significa che questi qubit possono essere posizionati all'interno di dispositivi su scala nanometrica progettati per applicazioni specifiche. I NV, ad esempio, sono spesso posizionati sulla punta di una sonda di scansione per microscopia, o al centro di una lente o pilastri emisferici utilizzati per raccogliere la luce in modo efficiente.
I SiV, meno sensibili all'ambiente, possono essere collocati all'interno di strutture ancora più piccole. Sono comunemente usati all'interno di guide d'onda e cavità di cristalli fotonici di appena 100 nanometri di diametro.
Il SiV fa parte di una classe ben studiata di difetti, noti come difetti del "Gruppo IV", data dalla loro posizione nella tavola periodica, che si distinguono per la loro bassa sensibilità alle fluttuazioni del campo magnetico ed elettrico, che si verificano sulle superfici della maggior parte dei materiali.
Questa sensibilità ridotta consente di posizionare i SiV all'interno di strutture più piccole, il che a sua volta migliora l'affidabilità con cui interagiscono con la luce. Un difetto SiV ha anche altre proprietà che lo rendono adatto per le operazioni di networking quantistico.
Ha un tempo di coerenza fino a 10 millisecondi e una memoria di rotazione nucleare secondaria che può vivere più di un secondo. I SiV possono essere controllati e letti individualmente con elevata precisione, con una fedeltà di lettura del 99.98%, una fedeltà del gate a qubit singolo migliore del 99% e una fedeltà del gate dei fotoni spin migliore del 95%.
Utilizzando i diamanti sintetici di Element Six, queste caratteristiche sono state combinate da un team di scienziati di Harvard e del MIT per consentire la comunicazione quantistica potenziata dalla memoria, un punto di riferimento che significa che il SiV consentirà la comunicazione su distanze più lunghe di quanto sarebbe possibile senza ripetitori.
L'ingegnerizzazione e il potenziamento della tecnologia che circonda il SiV dovrebbero rendere possibile un'ampia diffusione di questa tecnologia e questa ingegneria inizia con il materiale diamantato stesso.
Nel diamante naturale il numero di atomi difettosi indesiderati riduce la coerenza, le proprietà ottiche e di spin dei centri di colore come NV e SiV. Fortunatamente, l'avvento della crescita del diamante sintetico ha reso possibile la riduzione di queste imperfezioni indesiderate.
I progressi nella deposizione chimica da vapore potenziata dal plasma (PECVD) negli ultimi 20 anni hanno consentito la crescita di singole lastre di diamante con purezza e ordine sufficienti per le applicazioni quantistiche. La crescita del PECVD consente la formazione di diamanti centinaia o migliaia di volte più puri del Regent Diamond, il famoso diamante naturale puro esposto al Louvre.
Nel miglior diamante PECVD meno di un atomo su un milione sono impurità, rispetto a uno su mille per la maggior parte dei diamanti naturali.
Continuare a investire nella tecnologia del diamante PECVD sarà fondamentale per consentirne l'utilizzo per le applicazioni quantistiche. Migliorare il controllo sui tipi di difetti creati e sul materiale incorporato durante la crescita del diamante, ampliare le diverse morfologie dei diamanti che possono essere prodotti in serie e ridurre il costo della loro fabbricazione sarà fondamentale per il progresso di questo campo
Le proprietà ottiche e quantistiche del diamante lo rendono straordinariamente promettente per le applicazioni di rete quantistica e di comunicazione quantistica, ma la mancanza di un accesso diffuso a diversi gradi e morfologie del diamante è stata a lungo una sfida per il settore.
Element Six e AWS stanno lavorando insieme per sviluppare nuove tecnologie per rendere il diamante un materiale più flessibile e accessibile, contribuendo a guidare la crescita e il progresso di questa tecnologia.
Sebbene il campo presenti ancora molte domande fondamentali e tecniche, questa collaborazione tra AWS ed Element Six mira a sviluppare una soluzione di diamante sintetico scalabile coerente con un'interazione e un controllo efficiente dello spin del fotone, che potrebbe essere utilizzata per far progredire lo sviluppo di tecnologie quantistiche, tra cui sicurezza reti, sensori o computer, in futuro.
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