רשתות קוונטיות משתמשות במאפיינים של הסתבכות וסופרפוזיציה כדי להפיץ מידע קוונטי בצורה מאובטחת בין משתמשי קצה ברשת.
רשתות אלו מורכבות משני סוגים של צמתים - צמתים עמוד השדרה וצמתי משתמש קצה - שכל אחד מהם מסתמך על סוגים שונים של טֶכנוֹלוֹגִיָה. צמתים של משתמשי קצה יכולים להשתמש במשאבי תקשורת מסורתיים כמו לייזרים וגלאים כדי לתקשר עם צמתי עמוד השדרה.
צמתים של עמוד השדרה, לעומת זאת, ידרשו סוג חדש של תשתית: משחזר קוונטי. משחזרים אלו ממלאים תפקיד דומה למגברים ברשתות תקשורת קלאסיות על ידי תיקון לאובדן ובגידה המתרחשים כאשר מידע קוונטי מתפשט למרחקים ארוכים, אך מסוגלים לעשות זאת מבלי לשבש את המצב הקוונטי של האור שעובר ברשת.
זה מאפשר לתקן את הפיזור הבלתי נמנע של חלקיקי אור בודדים, הידועים כפוטונים, כשהם עוברים אפילו דרך סיב התקשורת הטוב ביותר. ככאלה, משחזרים אלו מאפשרים הפצת מידע קוונטי על פני מרחקים שאם לא כן היו בלתי אפשריים עקב אובדן פוטון.
משחזרים קוונטיים ישמשו עמוד השדרה לאינטרנט קוונטי עתידי שיאפשר תקשורת מאובטחת ופרטית - מה שיהפוך אותם למוקד מרכזי למחקר במרכז AWS לרשתות קוונטיות.
אלמנט הליבה של משחזר קוונטי הוא קיוביט זיכרון שמתממשק עם אור. קיוביט זה תופס את המידע המקודד באור, מאחסן אותו, ויחד עם קיוביטים קרובים אחרים, מבצע תיקון שגיאות כדי לבטל כל שגיאה שאולי התרחשה במהלך התקשורת.
כדי להיות בר-קיימא, קיוביטים זיכרון אלה צריכים להיות בעלי אינטראקציות מהימנות עם אור בתחום הגלוי או הטלקום (ששוללים רבים ממועמדי הקיוביט המובילים מחישוב קוונטי, כגון קיוביטים מוליכים-על) ורצוי שיהיו אפשריים לייצור המוני. דרישות אלה הופכות קיוביטים פגומים, כמו מרכזי צבע ביהלומים, למועמדים המובילים כזכרונות חוזרים קוונטיים.
פגמים במוצקים הם מחלקה רחבה של קיוביטים המורכבים מאטום אחד או יותר היוצרים פגם בתוך חומר אחיד וגבישי. בהתאם לסוג האטום והחומר המשמשים, הקיוביט מוגדר מהמצבים האלקטרוניים או המגנטיים של האטום/ים הפגומים.
קיוביטים פגומים נמצאים בחומרים רבים באופן טבעי, ולעתים קרובות ניתן להחדיר אותם באופן מלאכותי באמצעות השתלה ממוקדת של חומר מארח עם האטום הפגום המועדף עליו. למרות כל כך הרבה חומרים שמסוגלים לארח קיוביטים פגומים, מציאת זוג פגמי חומרים שיש לו כל שילוב ספציפי של תכונות היא משימה מאתגרת.
למרות היותם טהורים יותר מגבישים טבעיים אחרים, מכילים זיהומים רבים ושונים המשולבים מהסביבה במהלך תהליך הצמיחה הארוך והאיטי. זיהומים אלה הם המעניקים ליהלומים את הצבעים הנרחבים שלהם - החל מכחול עמוק ועד ורוד עז. עם זאת, במקרים מסוימים, פגמים ביהלומים עושים יותר מאשר להפוך אותם לייחודיים ויפים: הם יכולים לשמש גם כקיוביטים יוצאי דופן עבור יישומי רשת קוונטית.
יהלום מארח פגמים רבים ושונים, אך שני סוגים של קיוביטים של פגמי יהלום הופיעו כמועמדים מובילים ליישומי תקשורת: מרכז החנקן לריק (NV) ומרכז הסיליקון לריקון (SiV). גם ה-NV וגם SiV נוצרים על ידי הסרת שני אטומי פחמן סמוכים מסריג גביש יהלום, והחלפתם באטום חנקן או סיליקון בודד, בהתאמה.
זוכר אור
משחזרים קוונטיים פועלים על ידי העברת מידע המקודד על פוטונים אל קוביט זיכרון נייח שבו ניתן לאחסן ולתקן את המידע. קיוביטים פגומים, כגון מרכזי צבע, הם מועמדים טובים לפעולה זו מכיוון שבאופן טבעי יש להם ממשק יעיל עם האור (מקור הצבע שלהם) ומכיוון שלתת-קבוצה יש גישה לזיכרון "ספין" ארוך.
אפשר לחשוב על ספין זה כמגנט זעיר הכלול בתוך כל אלקטרון, פרוטון ונייטרון בתוך החומר. ניתן לגשת לזיכרון הספין הזה על ידי הנחת הקיובייט בשדה מגנטי כך שהספינים מכוונים לאורך כיוון השדה.
לאחר מכן, הזיכרון מוגדר לפי האם הספין מצביע לאורך השדה המגנטי או מולו, המתאים לסיביות 1 או 0 בהתאמה. כאשר אור קופץ ממרכז צבע הוא יכול להפוך את קוביט הספין הזה, מה שמאפשר את העברת המידע בין האור לזיכרון הספין במה שמכונה ממשק ספין-פוטון. מרכזי צבע עם תכונה זו - כגון NV ו-SiV - הם מועמדים שימושיים עבור משחזרים קוונטיים.
ה-NV ו-SiV שונים ממרכזי צבע אחרים בכך שהם מתארחים ביהלום, התואם למגוון רחב של סמיקונדקטור מעבד והוא אינרטי ויציב מבחינה כימית בסביבות רבות ושונות.
משמעות הדבר היא שניתן למקם את הקיוביטים הללו בתוך מכשירים בקנה מידה ננומטרי שתוכננו עבור יישומים ספציפיים. NVs, למשל, ממוקמים לעתים קרובות בקצה של בדיקה סריקה לצורך מיקרוסקופיה, או במרכז עדשה חצי כדורית או עמודים המשמשים לאיסוף אור ביעילות.
SiVs, שפחות רגישים לסביבה, יכולים להיות ממוקמים בתוך מבנים קטנים אפילו יותר. הם משמשים בדרך כלל בתוך מובילי גל וחללי גביש פוטוניים בקוטר של רק 100 שניות של ננומטרים.
ה-SiV הוא חלק ממחלקה נחקרת היטב של פגמים, הידועים כפגמים "קבוצה IV", הניתנים על ידי מיקומם בטבלה המחזורית, אשר בולטים ברגישות הנמוכה שלהם לתנודות שדה מגנטי וחשמלי, המתרחשות במשטחים. מרוב החומרים.
רגישות מופחתת זו מאפשרת למקם את ה-SiV בתוך מבנים קטנים יותר - מה שבתורו משפר את האמינות שבה הם מתקשרים עם האור. לפגם של SiV יש גם מאפיינים אחרים שהופכים אותו למתאים היטב לפעולות רשת קוונטיות.
יש לו זמן קוהרנטיות של עד 10 מילישניות, וזיכרון ספין גרעיני משני שיכול לחיות יותר משנייה. ניתן לשלוט ולקרוא את SiVs בנפרד בדיוק גבוה, עם נאמנות קריאה של 99.98%, נאמנות שער קיוביט בודד טובה מ-99%, ונאמנות שער פוטון ספין טובה מ-95%.
באמצעות היהלומים הסינתטיים של Element Six, תכונות אלו שולבו על ידי צוות של מדעני הרווארד ו-MIT כדי לאפשר תקשורת קוונטית משופרת בזיכרון, אמת מידה שמשמעותה שה-SiV יאפשר תקשורת על פני מרחקים ארוכים יותר ממה שהיה אפשרי ללא משחזרים.
הנדסה והגדלת הטכנולוגיה סביב ה-SiV אמורה לאפשר פריסה נרחבת של טכנולוגיה זו - וההנדסה הזו מתחילה בחומר היהלום עצמו.
ביהלום טבעי מספר אטומי הפגמים הלא רצויים מפחית את תכונות הקוהרנטיות, האופטיות והספין של מרכזי צבע כמו NV ו-SiV. למרבה המזל, הופעתה של צמיחת יהלומים סינתטיים אפשרה הפחתת הפגמים הלא רצויים הללו.
התקדמות בתצהיר כימיים כימיים (PECVD) ב-20 השנים האחרונות אפשרה את הצמיחה של לוחות יהלומים בודדים עם טוהר וסדר מספיק עבור יישומים קוונטיים. צמיחת PECVD מאפשרת היווצרות של יהלומים טהורים מאות או אלפי פעמים מאשר יהלום ריג'נט, היהלום הטבעי הטהור המפורסם המוצג בלובר.
ביהלום PECVD הטוב ביותר פחות מאחד למיליון אטומים הם זיהומים - לעומת אחד לאלף עבור רוב היהלומים הטבעיים.
המשך השקעה בטכנולוגיית יהלומי PECVD תהיה קריטית לאפשר את ניצולו עבור יישומים קוונטיים. שיפור השליטה על סוגי הפגמים שנוצרו והחומרים המשולבים במהלך צמיחת יהלומים, הרחבת המורפולוגיות השונות של יהלומים הניתנים לייצור המוני, והפחתת עלות ייצורם יהיו קריטיים לקידום תחום זה.
המאפיינים האופטיים והקוונטיים של יהלום הופכים אותו למבטיח באופן ייחודי עבור יישומי רשת קוונטית ותקשורת קוונטית - אך היעדר גישה נרחבת לדרגות ומורפולוגיות שונות של יהלום כבר מזמן מהווה אתגר עבור התחום.
Element Six ו-AWS עובדים יחד כדי לפתח טכנולוגיות חדשות כדי להפוך את היהלום לחומר גמיש ונגיש יותר - עוזרים להניע צמיחה והתקדמות של טכנולוגיה זו.
בעוד שהתחום עדיין מציג שאלות בסיסיות וטכניות רבות, שיתוף הפעולה הזה בין AWS ו-Element Six שואף לפתח פתרון יהלומים סינתטיים שניתן להרחבה התואם עם אינטראקציה ובקרה יעילה של ספין פוטון, שיכולים לשמש לקידום פיתוח טכנולוגיות קוונטיות, כולל מאובטחות. רשתות, חיישנים או מחשבים, בעתיד.
ראה עוד : מודולי IGBT | LCD מציג | רכיבים אלקטרוניים