量子ネットワークは、もつれと重ね合わせの特性を使用して、ネットワークのエンド ユーザー間で量子情報を安全に配布します。
これらのネットワークは、バックボーン ノードとエンド ユーザー ノードの XNUMX 種類のノードで構成され、それぞれが異なる種類のノードに依存します。 テクノロジー。 エンド ユーザー ノードは、レーザーや検出器などの従来の通信リソースを使用してバックボーン ノードと通信できます。
一方、バックボーン ノードには、新しいタイプのインフラストラクチャである量子リピータが必要です。 これらのリピータは、量子情報が長距離にわたって伝播するときに発生する損失と不忠実度を補正することにより、従来の通信ネットワークの増幅器と同様の機能を果たしますが、ネットワークを通過する光の量子状態を乱すことなくこれを行うことができます。
これにより、光子と呼ばれる個々の光粒子の避けられない散乱を修正することが可能になります。 このように、これらのリピータは、光子損失のために不可能な距離にわたる量子情報の拡散を可能にします。
量子リピーターは、安全でプライベートな通信を可能にする将来の量子インターネットのバックボーンとして機能し、AWS 量子ネットワーク センターでの研究の中心的な焦点となります。
量子中継器のコア要素は、光とインターフェースするメモリ量子ビットです。 このキュービットは、光にエンコードされた情報をキャッチして保存し、近くにある他のキュービットと一緒にエラー訂正を実行して、通信中に発生した可能性のあるエラーを排除します。
実行可能であるためには、これらのメモリ キュービットは、可視領域またはテレコム ドメインの光と信頼できる相互作用を持ち (超伝導キュービットなどの主要なキュービット候補の多くを量子計算から除外する)、できれば大量生産が可能である必要があります。 これらの要件により、ダイヤモンドのカラー センターのような欠陥キュービットが作成され、量子リピータ メモリとして有力な候補となります。
固体の欠陥は、他の点では均一な結晶材料の内部に欠陥を形成する XNUMX つまたは複数の原子で構成される、幅広い種類のキュービットです。 使用される原子と材料のタイプに応じて、量子ビットは欠陥原子の電子状態または磁気状態から定義されます。
欠陥キュービットは、多くの材料で自然に発見され、多くの場合、選択した欠陥原子をホスト材料にターゲットを絞って注入することで人為的に導入できます。 非常に多くの材料が欠陥量子ビットをホストできるにもかかわらず、特定の特性の組み合わせを持つ材料と欠陥のペアを見つけることは困難な作業です。
他の天然水晶よりも純粋であるにもかかわらず、長くゆっくりとした成長過程で環境から取り込まれたさまざまな不純物を含んでいます。 これらの不純物は、深いブルーから明るいピンクまで、ダイヤモンドに幅広い色を与えます。 ただし、場合によっては、ダイヤモンドの欠陥は、ダイヤモンドをユニークで美しいものにするだけでなく、量子ネットワーク アプリケーションの例外的な量子ビットとしても機能します。
ダイヤモンドは多くの異なる欠陥をホストしますが、XNUMX つのクラスのダイヤモンド欠陥キュービットが通信アプリケーションの主要な候補として浮上しています: 窒素空孔中心 (NV) とシリコン空孔中心 (SiV) です。 NV と SiV はどちらも、ダイヤモンド結晶格子から XNUMX つの隣接する炭素原子を除去し、それぞれ単一の窒素原子またはシリコン原子で置き換えることによって形成されます。
光を思い出す
量子リピータは、光子にエンコードされた情報を固定メモリ キュービットに転送することで動作し、そこで情報を保存して修正することができます。 カラーセンターなどの欠陥キュービットは、光 (色のソース) との効果的なインターフェースを自然に持っており、サブセットが長寿命の「スピン」メモリにアクセスできるため、この操作に適しています。
このスピンは、物質内のすべての電子、陽子、および中性子の内部に含まれる小さな磁石と考えることができます。 このスピンメモリは、スピンが磁場の方向に沿って配向するように、量子ビットを磁場に配置することによってアクセスできます。
次に、メモリは、スピンが磁場に沿っているか、磁場の反対を向いているかによって定義されます。これは、それぞれ 1 ビットまたは 0 ビットに対応します。 光が色の中心で跳ね返ると、このスピン キュービットが反転し、スピン-フォトン インターフェースとして知られる光とスピン メモリの間の情報転送が可能になります。 NV や SiV など、この特性を持つカラー センターは、量子リピータの有力な候補です。
NV と SiV は、さまざまな色と互換性のあるダイヤモンドでホストされているという点で、他のカラー センターとは異なります。 半導体 化学的に不活性で、さまざまな環境下で安定しています。
これは、これらのキュービットを、特定のアプリケーション向けに設計されたナノスケール デバイス内に配置できることを意味します。 たとえば、NV は、多くの場合、顕微鏡検査用の走査型プローブの先端、または光を効率的に収集するために使用される半球レンズまたはピラーの中心に配置されます。
環境の影響を受けにくいSiVは、さらに小さな構造内に配置できます。 それらは一般に、幅がわずか数百ナノメートルの導波路およびフォトニック結晶キャビティ内で使用されます。
SiV は、「グループ IV」欠陥として知られるよく研究されたクラスの欠陥の一部であり、周期表上の位置によって与えられます。この欠陥は、表面で発生する磁場および電場の変動に対する感度が低いことで知られています。ほとんどの材料の。
この感度の低下により、SiV をより小さな構造内に配置することが可能になり、光と相互作用する信頼性が向上します。 SiV 欠陥には、量子ネットワーク操作に適した他の特性もあります。
最大 10 ミリ秒のコヒーレンス時間と、99.98 秒以上存続できる二次的な核スピン メモリがあります。 SiV は、99% の読み出し忠実度、95% を超える単一量子ビット ゲートの忠実度、および XNUMX% を超えるスピン光子ゲートの忠実度で、高精度で制御および個別に読み取ることができます。
Element Six の合成ダイヤモンドを使用して、ハーバード大学と MIT の科学者のチームがこれらの機能を組み合わせて、メモリ強化量子通信を可能にしました。これは、SiV がリピータなしで可能な距離よりも長い距離の通信を可能にすることを意味するベンチマークです。
SiV を取り巻く技術のエンジニアリングとスケールアップにより、この技術の広範な展開が可能になるはずです。このエンジニアリングは、ダイヤモンド材料自体から始まります。
天然ダイヤモンドでは、望ましくない欠陥原子の数が、NV や SiV などのカラー センターのコヒーレンス、光学、およびスピン特性を低下させます。 幸いなことに、合成ダイヤモンド成長の出現により、これらの望ましくない欠陥を減らすことが可能になりました.
過去 20 年間にわたるプラズマ化学気相成長法 (PECVD) の進歩により、量子アプリケーションに十分な純度と規則性を備えたダイヤモンドの個々のプレートを成長させることが可能になりました。 PECVD 成長により、ルーブル美術館に展示されている有名な純粋な天然ダイヤモンドであるリージェント ダイヤモンドよりも数百倍または数千倍純粋なダイヤモンドの形成が可能になります。
最高の PECVD ダイヤモンドでは、XNUMX 万分の XNUMX 未満の原子が不純物であり、ほとんどの天然ダイヤモンドでは XNUMX 分の XNUMX です。
PECVDダイヤモンド技術への投資を継続することは、量子アプリケーションへの利用を可能にするために重要です。 生成される欠陥の種類とダイヤモンドの成長中に組み込まれる材料の制御を改善し、大量生産できるダイヤモンドのさまざまな形態を広げ、製造コストを削減することは、この分野の進歩にとって重要です。
ダイヤモンドの光学的および量子的特性は、量子ネットワーキングおよび量子通信アプリケーションに独自の有望性をもたらしますが、ダイヤモンドのさまざまなグレードと形態への広範なアクセスの欠如は、この分野にとって長い間課題でした.
Element Six と AWS は協力して、ダイヤモンドをより柔軟でアクセスしやすい素材にする新しいテクノロジーを開発し、このテクノロジーの成長と進歩を促進しています。
この分野には依然として多くの基本的かつ技術的な問題がありますが、AWS と Element Six のこのコラボレーションは、効率的な光子スピン相互作用と制御と一致するスケーラブルな合成ダイヤモンド ソリューションを開発することを目的としています。ネットワーク、センサー、またはコンピューター。