Rangkaian kuantum menggunakan sifat belitan dan superposisi untuk mengedarkan maklumat kuantum dengan selamat antara pengguna akhir rangkaian.
These networks consist of two types of nodes – backbone nodes and end user nodes – each of which rely on different types of teknologi. End user nodes can use traditional telecommunications resources like lasers and detectors to communicate with the backbone nodes.
Nod tulang belakang, sebaliknya, akan memerlukan jenis infrastruktur baharu: pengulang kuantum. Pengulang ini menjalankan fungsi yang sama sebagai penguat dalam rangkaian komunikasi klasik dengan membetulkan kehilangan dan ketidaksetiaan yang berlaku apabila maklumat kuantum merambat pada jarak yang jauh, tetapi dapat melakukannya tanpa mengganggu keadaan kuantum cahaya yang melalui rangkaian.
Ini memungkinkan untuk membetulkan penyerakan zarah cahaya individu yang tidak dapat dielakkan, yang dikenali sebagai foton, kerana ia melalui gentian telekomunikasi yang terbaik sekalipun. Oleh itu, pengulang ini memungkinkan penyebaran maklumat kuantum pada jarak yang mungkin mustahil disebabkan kehilangan foton.
Pengulang kuantum akan bertindak sebagai tulang belakang untuk internet kuantum masa hadapan yang akan membolehkan komunikasi yang selamat dan peribadi - menjadikannya tumpuan utama untuk penyelidikan di Pusat AWS untuk Rangkaian Kuantum.
Elemen teras pengulang kuantum ialah qubit memori yang antara muka dengan cahaya. Qubit ini menangkap maklumat yang dikodkan pada cahaya, menyimpannya, dan, bersama-sama dengan qubit lain yang berdekatan, melakukan pembetulan ralat untuk menghapuskan sebarang ralat yang mungkin berlaku semasa komunikasi.
Untuk berdaya maju, qubit memori ini perlu mempunyai interaksi yang boleh dipercayai dengan cahaya dalam domain boleh dilihat atau telekom (menolak banyak calon qubit terkemuka daripada pengiraan kuantum, seperti qubit superkonduktor) dan sebaik-baiknya boleh dilaksanakan untuk dihasilkan secara besar-besaran. Keperluan ini menjadikan qubit kecacatan, seperti pusat warna dalam berlian, memimpin calon sebagai kenangan pengulang kuantum.
Kecacatan dalam pepejal ialah kelas qubit yang luas yang terdiri daripada satu atau lebih atom yang membentuk kecacatan di dalam bahan kristal yang sebaliknya seragam. Bergantung pada jenis atom dan bahan yang digunakan, qubit ditakrifkan daripada keadaan elektronik atau magnet bagi atom yang cacat.
Qubit kecacatan ditemui dalam banyak bahan secara semula jadi, dan selalunya boleh diperkenalkan secara buatan melalui implantasi sasaran bahan perumah dengan atom kecacatan pilihan. Walaupun begitu banyak bahan yang mampu menampung qubit kecacatan, mencari pasangan kecacatan bahan yang mempunyai gabungan sifat tertentu adalah tugas yang mencabar.
Walaupun lebih tulen daripada kristal semula jadi yang lain, mengandungi banyak kekotoran berbeza yang digabungkan daripada persekitaran semasa proses pertumbuhan yang panjang dan perlahan. Kekotoran inilah yang memberikan warna berlian yang pelbagai - daripada biru tua hingga merah jambu terang. Walau bagaimanapun, dalam kes tertentu, kecacatan pada berlian bukan sahaja menjadikannya unik dan cantik: ia juga boleh bertindak sebagai qubit yang luar biasa untuk aplikasi rangkaian kuantum.
Berlian menampung banyak kecacatan yang berbeza, tetapi dua kelas qubit kecacatan berlian telah muncul sebagai calon utama untuk aplikasi komunikasi: Pusat Kekosongan Nitrogen (NV) dan Pusat Kekosongan Silikon (SiV). Kedua-dua NV dan SiV terbentuk dengan mengeluarkan dua atom Karbon bersebelahan daripada kekisi kristal berlian, dan masing-masing menggantikannya dengan atom Nitrogen atau Silikon tunggal.
Mengingati cahaya
Pengulang kuantum beroperasi dengan memindahkan maklumat yang dikodkan pada foton ke qubit memori pegun di mana maklumat boleh disimpan dan diperbetulkan. Qubit kecacatan, seperti pusat warna, adalah calon yang baik untuk operasi ini kerana ia secara semula jadi mempunyai antara muka yang berkesan dengan cahaya (sumber warnanya) dan kerana subset mempunyai akses kepada memori "spin" yang berumur panjang.
Putaran ini boleh dianggap sebagai magnet kecil yang terkandung di dalam setiap elektron, proton, dan neutron dalam bahan. Memori putaran ini boleh diakses dengan meletakkan qubit dalam medan magnet supaya putaran berorientasikan sepanjang arah medan.
Memori kemudiannya ditakrifkan oleh sama ada putaran menghala ke sepanjang atau bertentangan dengan medan magnet, yang sepadan dengan bit 1 atau 0 masing-masing. Apabila cahaya melantun dari pusat warna, ia boleh membalikkan qubit putaran ini, membolehkan pemindahan maklumat antara cahaya dan memori putaran dalam apa yang dikenali sebagai antara muka spin-foton. Pusat warna dengan sifat ini - seperti NV dan SiV - adalah calon berguna untuk pengulang kuantum.
NV dan SiV berbeza daripada pusat warna lain dengan dihoskan dalam berlian, yang serasi dengan pelbagai jenis Semikonduktor proses dan tidak aktif secara kimia dan stabil di bawah banyak persekitaran yang berbeza.
Ini bermakna qubit ini boleh diletakkan di dalam peranti skala nano yang direka bentuk untuk aplikasi tertentu. NV, sebagai contoh, sering diletakkan di hujung probe pengimbasan untuk mikroskop, atau di tengah kanta hemisfera atau tiang yang digunakan untuk mengumpul cahaya dengan cekap.
SiV, yang kurang sensitif terhadap persekitaran, boleh diletakkan di dalam struktur yang lebih kecil. Ia biasanya digunakan di dalam pandu gelombang dan rongga kristal fotonik hanya sepanjang 100s nanometer.
SiV ialah sebahagian daripada kelas kecacatan yang dikaji dengan baik, dikenali sebagai kecacatan "Kumpulan IV", berdasarkan lokasinya pada jadual berkala, yang terkenal dengan kepekaan rendahnya terhadap turun naik medan magnet dan elektrik, yang berlaku pada permukaan. daripada kebanyakan bahan.
Kepekaan yang dikurangkan ini membolehkan SiV diletakkan di dalam struktur yang lebih kecil - yang seterusnya meningkatkan kebolehpercayaan yang ia berinteraksi dengan cahaya. Kecacatan SiV juga mempunyai sifat lain yang menjadikannya sangat sesuai untuk operasi rangkaian kuantum.
Ia mempunyai masa koheren sehingga 10 milisaat, dan memori putaran nuklear sekunder yang boleh hidup lebih daripada satu saat. SiV boleh dikawal dan dibaca secara individu dengan ketepatan yang tinggi, dengan 99.98% kesetiaan bacaan, kesetiaan get qubit tunggal lebih baik daripada 99%, dan ketepatan get foton putaran lebih baik daripada 95%.
Menggunakan berlian sintetik Element Six, ciri-ciri ini telah digabungkan oleh pasukan saintis Harvard dan MIT untuk membolehkan komunikasi kuantum yang dipertingkatkan memori, penanda aras yang bermaksud bahawa SiV akan membolehkan komunikasi pada jarak yang lebih jauh daripada yang mungkin dilakukan tanpa pengulang.
Kejuruteraan dan peningkatan teknologi yang mengelilingi SiV seharusnya membolehkan penggunaan teknologi ini secara meluas— dan kejuruteraan ini bermula dengan bahan berlian itu sendiri.
Dalam berlian asli bilangan atom kecacatan yang tidak diingini mengurangkan sifat koheren, optik dan putaran pusat warna seperti NV dan SiV. Mujurlah, kemunculan pertumbuhan berlian sintetik telah membolehkan mengurangkan ketidaksempurnaan yang tidak diingini ini.
Kemajuan dalam pemendapan wap kimia dipertingkatkan plasma (PECVD) sepanjang 20 tahun yang lalu telah membolehkan pertumbuhan plat individu berlian dengan ketulenan dan keteraturan yang mencukupi untuk aplikasi kuantum. Pertumbuhan PECVD membolehkan pembentukan berlian beratus-ratus atau beribu-ribu kali lebih tulen daripada Regent Diamond, berlian asli yang terkenal tulen yang dipamerkan di Louvre.
Dalam berlian PECVD terbaik kurang daripada satu dalam sejuta atom adalah kekotoran - berbanding satu dalam seribu untuk kebanyakan berlian asli.
Meneruskan pelaburan dalam teknologi berlian PECVD adalah penting untuk membolehkan penggunaannya untuk aplikasi kuantum. Meningkatkan kawalan ke atas jenis kecacatan yang dicipta dan bahan yang digabungkan semasa pertumbuhan berlian, meluaskan morfologi berbeza berlian yang boleh dihasilkan secara besar-besaran, dan mengurangkan kos pembuatannya akan menjadi kritikal untuk kemajuan bidang ini.
Sifat optik dan kuantum Diamond menjadikannya unik menjanjikan untuk rangkaian kuantum dan aplikasi komunikasi kuantum – tetapi kekurangan akses meluas kepada gred dan morfologi berlian yang berbeza telah lama menjadi cabaran bagi bidang tersebut.
Element Six dan AWS bekerjasama untuk membangunkan teknologi baharu untuk menjadikan berlian sebagai bahan yang lebih fleksibel dan mudah diakses – membantu memacu pertumbuhan dan kemajuan untuk teknologi ini.
Walaupun bidang ini masih mengemukakan banyak persoalan asas dan teknikal, kerjasama antara AWS dan Element Six ini bertujuan untuk membangunkan penyelesaian berlian sintetik boleh skala yang konsisten dengan interaksi dan kawalan putaran foton yang cekap, yang boleh digunakan untuk memajukan pembangunan teknologi kuantum, termasuk selamat. rangkaian, penderia atau komputer, pada masa hadapan.
Lihat lagi: modul IGBT | Memaparkan LCD | Komponen Elektronik