양자 네트워크는 얽힘 및 중첩 속성을 사용하여 네트워크 최종 사용자 간에 양자 정보를 안전하게 배포합니다.
이러한 네트워크는 백본 노드와 최종 사용자 노드라는 두 가지 유형의 노드로 구성되며, 각 노드는 서로 다른 유형의 노드에 의존합니다. technology. 최종 사용자 노드는 레이저 및 탐지기와 같은 기존 통신 리소스를 사용하여 백본 노드와 통신할 수 있습니다.
반면에 백본 노드에는 양자 중계기라는 새로운 유형의 인프라가 필요합니다. 이러한 리피터는 양자 정보가 장거리로 전파될 때 발생하는 손실과 부정을 보정함으로써 기존 통신 네트워크에서 증폭기와 유사한 기능을 수행하지만 네트워크를 통과하는 빛의 양자 상태를 방해하지 않고 그렇게 할 수 있습니다.
이것은 광자로 알려진 개별 빛 입자가 최고의 통신 섬유를 통과할 때 피할 수 없는 산란을 교정할 수 있게 합니다. 이와 같이 이러한 중계기는 광자 손실로 인해 불가능한 거리에 걸쳐 양자 정보의 확산을 가능하게 합니다.
양자 중계기는 안전한 개인 통신을 가능하게 하는 미래의 양자 인터넷을 위한 중추 역할을 하여 양자 네트워킹을 위한 AWS 센터 연구의 중심이 됩니다.
양자 중계기의 핵심 요소는 빛과 인터페이스하는 메모리 큐비트입니다. 이 큐비트는 빛에 인코딩된 정보를 포착하여 저장하고 근처의 다른 큐비트와 함께 오류 수정을 수행하여 통신 중에 발생할 수 있는 오류를 제거합니다.
실행 가능하려면 이러한 메모리 큐비트가 가시광선 또는 통신 영역에서 빛과 신뢰할 수 있는 상호 작용을 해야 하며(초전도 큐비트와 같은 양자 계산에서 많은 주요 큐비트 후보를 배제) 바람직하게는 대량 생산이 가능해야 합니다. 이러한 요구 사항으로 인해 다이아몬드의 컬러 센터와 같은 결함 큐비트가 양자 반복기 메모리의 주요 후보가 됩니다.
고체의 결함은 균일한 결정질 물질 내부에 결함을 형성하는 하나 이상의 원자로 구성된 광범위한 종류의 큐비트입니다. 사용된 원자 및 재료의 유형에 따라 큐비트는 결함 원자의 전자 또는 자기 상태에서 정의됩니다.
결함 큐비트는 많은 재료에서 자연적으로 발견되며 선택한 결함 원자를 사용하여 호스트 재료의 표적 주입을 통해 인위적으로 도입되는 경우가 많습니다. 결함 큐비트를 호스트할 수 있는 많은 재료에도 불구하고 특정 특성 조합을 가진 재료-결함 쌍을 찾는 것은 어려운 작업입니다.
다른 천연 크리스탈보다 더 순수함에도 불구하고 길고 느린 성장 과정 동안 환경에서 유입된 다양한 불순물을 포함하고 있습니다. 이러한 불순물은 다이아몬드에 짙은 파란색에서 밝은 분홍색에 이르기까지 다양한 색상을 부여합니다. 그러나 경우에 따라 다이아몬드의 결함은 다이아몬드를 독특하고 아름답게 만드는 것 이상을 수행합니다. 또한 양자 네트워킹 애플리케이션을 위한 예외적인 큐비트 역할을 할 수 있습니다.
다이아몬드에는 다양한 결함이 있지만 NV(질소 공극 센터)와 SiV(실리콘 공극 센터)라는 두 종류의 다이아몬드 결함 큐비트가 통신 응용 분야의 주요 후보로 부상했습니다. NV와 SiV는 다이아몬드 결정 격자에서 인접한 두 개의 탄소 원자를 제거하고 각각 단일 질소 또는 실리콘 원자로 대체하여 형성됩니다.
빛을 기억하다
양자 중계기는 광자에 인코딩된 정보를 정보를 저장하고 수정할 수 있는 고정 메모리 큐비트로 전송하여 작동합니다. 컬러 센터와 같은 결함 큐비트는 자연적으로 빛(색상 소스)과 효과적인 인터페이스를 가지고 있고 하위 집합이 수명이 긴 "스핀" 메모리에 액세스할 수 있기 때문에 이 작업에 적합한 후보입니다.
이 스핀은 물질 내의 모든 전자, 양성자 및 중성자 내부에 포함된 작은 자석으로 생각할 수 있습니다. 이 스핀 메모리는 스핀이 자기장의 방향을 따르도록 큐비트를 자기장에 배치하여 액세스할 수 있습니다.
그런 다음 메모리는 스핀이 자기장을 따라 가리키는지 반대 방향으로 가리키는지(각각 1 또는 0비트에 해당)에 따라 정의됩니다. 빛이 컬러 센터에서 반사되면 이 스핀 큐비트를 뒤집을 수 있어 스핀-광자 인터페이스로 알려진 것에서 빛과 스핀 메모리 사이의 정보 전송을 가능하게 합니다. NV 및 SiV와 같은 이러한 속성을 가진 컬러 센터는 양자 반복기에 대한 유용한 후보입니다.
NV 및 SiV는 다양한 색상과 호환되는 다이아몬드에 호스팅되어 다른 컬러 센터와 다릅니다. 반도체 다양한 환경에서 화학적으로 불활성이며 안정적입니다.
이는 이러한 큐비트가 특정 애플리케이션용으로 설계된 나노스케일 장치 내부에 배치될 수 있음을 의미합니다. 예를 들어 NV는 종종 현미경 검사를 위한 스캐닝 프로브의 끝에 배치되거나 빛을 효율적으로 수집하는 데 사용되는 반구형 렌즈 또는 기둥의 중앙에 배치됩니다.
환경에 덜 민감한 SiV는 더 작은 구조 내부에 배치할 수 있습니다. 그들은 일반적으로 단지 100나노미터의 도파관과 광자 결정 공동 내부에 사용됩니다.
SiV는 표면에서 발생하는 자기장 및 전기장 변동에 대한 민감도가 낮은 주기율표의 위치로 인해 "그룹 IV" 결함으로 알려진 잘 연구된 결함 클래스의 일부입니다. 대부분의 재료 중.
이렇게 감도가 낮아지면 SiV를 더 작은 구조 안에 배치할 수 있으므로 빛과 상호 작용하는 신뢰성이 향상됩니다. SiV 결함에는 양자 네트워킹 작업에 적합하도록 만드는 다른 속성도 있습니다.
최대 10밀리초의 일관성 시간과 99.98초 이상 생존할 수 있는 보조 핵 스핀 메모리가 있습니다. SiV는 99%의 판독 충실도, 95% 이상의 단일 큐비트 게이트 충실도, XNUMX% 이상의 스핀 광자 게이트 충실도로 높은 정확도로 개별적으로 제어 및 판독할 수 있습니다.
Element Six의 합성 다이아몬드를 사용하여 Harvard 및 MIT 과학자 팀이 이러한 기능을 결합하여 메모리 강화 양자 통신을 가능하게 했습니다.
SiV를 둘러싼 기술의 엔지니어링 및 확장은 이 기술의 광범위한 배포를 가능하게 해야 하며 이 엔지니어링은 다이아몬드 재료 자체에서 시작됩니다.
천연 다이아몬드에서 바람직하지 않은 결함 원자의 수는 NV 및 SiV와 같은 컬러 센터의 일관성, 광학 및 스핀 특성을 감소시킵니다. 다행스럽게도 합성 다이아몬드 성장의 출현으로 이러한 바람직하지 않은 결함을 줄이는 것이 가능해졌습니다.
지난 20년 동안 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)의 발전으로 양자 응용을 위한 충분한 순도와 질서를 갖춘 개별 다이아몬드 플레이트의 성장이 가능해졌습니다. PECVD 성장을 통해 루브르 박물관에 전시된 유명한 순수 천연 다이아몬드인 리젠트 다이아몬드보다 수백 또는 수천 배 더 순수한 다이아몬드를 형성할 수 있습니다.
최고의 PECVD 다이아몬드에서 원자 XNUMX만 개 중 XNUMX개 미만이 불순물입니다.
PECVD 다이아몬드 기술에 대한 지속적인 투자는 양자 응용 분야에 대한 활용을 가능하게 하는 데 중요합니다. 다이아몬드 성장 중에 생성된 결함 유형과 통합된 재료에 대한 제어를 개선하고, 대량 생산할 수 있는 다이아몬드의 다양한 형태를 넓히고, 제조 비용을 줄이는 것이 이 분야의 발전에 매우 중요할 것입니다.
다이아몬드의 광학적 및 양자적 특성은 양자 네트워킹 및 양자 통신 응용 분야에 고유하게 유망하지만 다이아몬드의 다양한 등급 및 형태에 대한 광범위한 액세스 부족은 오랫동안 이 분야의 문제였습니다.
Element Six와 AWS는 다이아몬드를 보다 유연하고 접근하기 쉬운 소재로 만드는 새로운 기술을 개발하기 위해 협력하고 있으며, 이 기술의 성장과 발전을 촉진하는 데 도움이 됩니다.
이 분야는 여전히 많은 기본적이고 기술적인 질문을 제시하지만 AWS와 Element Six 간의 이번 협력은 효율적인 광자-스핀 상호 작용 및 제어와 일치하는 확장 가능한 합성 다이아몬드 솔루션을 개발하는 것을 목표로 합니다. 미래의 네트워크, 센서 또는 컴퓨터.