เครือข่ายควอนตัมใช้คุณสมบัติของการพัวพันและการซ้อนทับเพื่อกระจายข้อมูลควอนตัมอย่างปลอดภัยระหว่างผู้ใช้เครือข่าย
เครือข่ายเหล่านี้ประกอบด้วยโหนดสองประเภท ได้แก่ โหนดหลักและโหนดผู้ใช้ปลายทาง ซึ่งแต่ละโหนดต้องอาศัยประเภทที่แตกต่างกัน เทคโนโลยี. โหนดผู้ใช้ปลายทางสามารถใช้ทรัพยากรโทรคมนาคมแบบดั้งเดิม เช่น เลเซอร์และเครื่องตรวจจับ เพื่อสื่อสารกับโหนดแกนหลักได้
ในทางกลับกัน Backbone Node จะต้องการโครงสร้างพื้นฐานประเภทใหม่: Quantum Repeater เครื่องทวนสัญญาณเหล่านี้ทำหน้าที่คล้ายกับเครื่องขยายสัญญาณในเครือข่ายการสื่อสารแบบคลาสสิก โดยแก้ไขการสูญเสียและการนอกใจซึ่งเกิดขึ้นเมื่อข้อมูลควอนตัมแพร่กระจายในระยะทางไกล แต่สามารถทำได้โดยไม่รบกวนสถานะควอนตัมของแสงที่ผ่านเครือข่าย
สิ่งนี้ทำให้สามารถแก้ไขการกระเจิงของอนุภาคของแสงแต่ละชนิดที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ซึ่งเรียกว่าโฟตอน เนื่องจากอนุภาคเหล่านี้ผ่านแม้แต่ใยแก้วนำแสงที่ดีที่สุด ดังนั้น ตัวทำซ้ำเหล่านี้ทำให้การแพร่กระจายของข้อมูลควอนตัมเป็นไปได้ในระยะทางที่เป็นไปไม่ได้เนื่องจากการสูญเสียโฟตอน
Quantum Repeater จะทำหน้าที่เป็นแกนหลักสำหรับอินเทอร์เน็ตควอนตัมในอนาคต ซึ่งจะช่วยให้สามารถสื่อสารได้อย่างปลอดภัยและเป็นส่วนตัว ทำให้เป็นจุดสนใจหลักสำหรับการวิจัยที่ AWS Center for Quantum Networking
องค์ประกอบหลักของควอนตัมรีพีทเตอร์คือหน่วยความจำคิวบิตซึ่งเชื่อมต่อกับแสง คิวบิตนี้จับข้อมูลที่เข้ารหัสด้วยแสง จัดเก็บไว้ และดำเนินการแก้ไขข้อผิดพลาดร่วมกับคิวบิตอื่นที่อยู่ใกล้เคียง เพื่อขจัดข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการสื่อสาร
เพื่อให้ทำงานได้ หน่วยความจำ qubits เหล่านี้จำเป็นต้องมีปฏิสัมพันธ์ที่เชื่อถือได้กับแสงในโดเมนที่มองเห็นได้หรือโดเมนโทรคมนาคม (ตัดตัวเลือก qubit ชั้นนำหลายตัวออกจากการคำนวณควอนตัม เช่น qubits ตัวนำยิ่งยวด) และควรเป็นไปได้ในการผลิตจำนวนมาก ข้อกำหนดเหล่านี้ทำให้ qubits ข้อบกพร่อง เช่น ศูนย์สีในเพชร เป็นผู้นำผู้สมัครเป็นหน่วยความจำทวนควอนตัม
ข้อบกพร่องในของแข็งคือกลุ่มคิวบิตที่กว้างซึ่งประกอบด้วยอะตอมตั้งแต่หนึ่งอะตอมขึ้นไปก่อตัวเป็นข้อบกพร่องภายในวัสดุผลึกที่สม่ำเสมอ ขึ้นอยู่กับชนิดของอะตอมและวัสดุที่ใช้ qubit ถูกกำหนดจากสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์หรือแม่เหล็กของอะตอมที่มีข้อบกพร่อง
ข้อบกพร่อง qubits พบได้ในวัสดุหลายชนิดโดยธรรมชาติ และมักจะถูกสร้างเทียมผ่านการฝังเป้าหมายของวัสดุโฮสต์ด้วยอะตอมที่มีข้อบกพร่องที่เลือกไว้ แม้จะมีวัสดุจำนวนมากที่สามารถโฮสต์ qubits ที่มีข้อบกพร่องได้ แต่การค้นหาคู่ที่มีข้อบกพร่องของวัสดุที่มีคุณสมบัติร่วมกันอย่างเฉพาะเจาะจงนั้นเป็นงานที่ท้าทาย
แม้จะบริสุทธิ์กว่าคริสตัลธรรมชาติอื่น ๆ แต่ก็มีสิ่งเจือปนต่าง ๆ มากมายที่รวมอยู่ในสิ่งแวดล้อมในระหว่างกระบวนการเติบโตที่ช้าและยาวนาน สิ่งเจือปนเหล่านี้ทำให้เพชรมีสีที่หลากหลาย ตั้งแต่สีน้ำเงินเข้มไปจนถึงสีชมพูสดใส อย่างไรก็ตาม ในบางกรณี ตำหนิในเพชรทำมากกว่าทำให้เพชรมีเอกลักษณ์และสวยงาม เพชรยังสามารถทำหน้าที่เป็น qubits พิเศษสำหรับแอปพลิเคชันเครือข่ายควอนตัม
ไดมอนด์มีข้อบกพร่องที่แตกต่างกันมากมาย แต่คิวบิตที่มีข้อบกพร่องของเพชรสองประเภทได้กลายเป็นผู้สมัครชั้นนำสำหรับการใช้งานด้านการสื่อสาร: Nitrogen-Vacancy Center (NV) และ Silicon-Vacancy Center (SiV) ทั้ง NV และ SiV เกิดขึ้นจากการนำอะตอมของคาร์บอนที่อยู่ติดกัน XNUMX อะตอมออกจากตาข่ายผลึกเพชร และแทนที่ด้วยอะตอมไนโตรเจนหรือซิลิคอนเพียงอะตอมเดียวตามลำดับ
แสงแห่งความทรงจำ
Quantum repeater ทำงานโดยการถ่ายโอนข้อมูลที่เข้ารหัสบนโฟตอนไปยังหน่วยความจำ qubit ที่อยู่กับที่ซึ่งสามารถจัดเก็บและแก้ไขข้อมูลได้ qubits ข้อบกพร่อง เช่น ศูนย์สี เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการดำเนินการนี้ เนื่องจากโดยธรรมชาติแล้วมีส่วนต่อประสานที่มีประสิทธิภาพกับแสง (แหล่งที่มาของสี) และเนื่องจากชุดย่อยสามารถเข้าถึงหน่วยความจำ "สปิน" ที่มีอายุการใช้งานยาวนาน
การหมุนนี้เปรียบได้กับแม่เหล็กขนาดเล็กที่บรรจุอยู่ภายในอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอนทุกตัวภายในวัสดุ หน่วยความจำสปินนี้สามารถเข้าถึงได้โดยการวางคิวบิตในสนามแม่เหล็กเพื่อให้สปินหันไปตามทิศทางของสนาม
จากนั้นหน่วยความจำจะถูกกำหนดโดยการหมุนที่ชี้ไปตามหรือตรงข้ามกับสนามแม่เหล็ก ซึ่งสอดคล้องกับ 1 หรือ 0 บิตตามลำดับ เมื่อแสงสะท้อนจากศูนย์สี มันสามารถพลิกควิบิตสปินนี้ ทำให้สามารถถ่ายโอนข้อมูลระหว่างแสงและหน่วยความจำสปินในสิ่งที่เรียกว่าอินเทอร์เฟซสปิน-โฟตอน ศูนย์สีที่มีคุณสมบัตินี้ เช่น NV และ SiV เป็นตัวเลือกที่มีประโยชน์สำหรับตัวทำซ้ำควอนตัม
NV และ SiV แตกต่างจากศูนย์สีอื่นๆ โดยโฮสต์เป็นเพชรซึ่งเข้ากันได้กับหลากหลายสี สารกึ่งตัวนำ กระบวนการและมีความเฉื่อยทางเคมีและมีความเสถียรภายใต้สภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน
ซึ่งหมายความว่า qubits เหล่านี้สามารถวางในอุปกรณ์ระดับนาโนที่ออกแบบทางวิศวกรรมสำหรับการใช้งานเฉพาะได้ ตัวอย่างเช่น NV มักจะวางไว้ที่ปลายหัวสแกนสำหรับกล้องจุลทรรศน์ หรือที่กึ่งกลางของเลนส์ครึ่งวงกลมหรือเสาที่ใช้ในการรวบรวมแสงอย่างมีประสิทธิภาพ
SiVs ซึ่งมีความไวต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่า สามารถวางไว้ในโครงสร้างที่เล็กกว่าได้ โดยทั่วไปจะใช้ภายในท่อนำคลื่นและโพรงผลึกโทนิคที่มีความกว้างเพียง 100 นาโนเมตร
SiV เป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มความบกพร่องที่ได้รับการศึกษาเป็นอย่างดี ซึ่งเรียกว่าข้อบกพร่อง “กลุ่ม IV” ซึ่งพิจารณาจากตำแหน่งบนตารางธาตุ ซึ่งมีความไวต่ำต่อความผันผวนของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ซึ่งเกิดขึ้นที่พื้นผิว ของวัสดุส่วนใหญ่
ความไวที่ลดลงนี้ทำให้สามารถวาง SiV ไว้ในโครงสร้างขนาดเล็กได้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือในการโต้ตอบกับแสง ข้อบกพร่องของ SiV ยังมีคุณสมบัติอื่นๆ ที่ทำให้เหมาะสำหรับการดำเนินงานเครือข่ายควอนตัม
มีเวลาเชื่อมโยงกันสูงสุด 10 มิลลิวินาที และหน่วยความจำสปินนิวเคลียร์สำรองที่สามารถมีชีวิตอยู่ได้มากกว่าหนึ่งวินาที SiVs สามารถควบคุมและอ่านทีละรายการได้ด้วยความแม่นยำสูง โดยมีความเที่ยงตรงในการอ่าน 99.98% ความเที่ยงตรงของเกตแบบควิบิตเดี่ยวดีกว่า 99% และความแม่นยำของเกทแบบสปินโฟตอนดีกว่า 95%
ด้วยการใช้เพชรสังเคราะห์ของ Element Six คุณลักษณะเหล่านี้ได้รวมเข้าด้วยกันโดยทีมนักวิทยาศาสตร์ของ Harvard และ MIT เพื่อให้สามารถสื่อสารควอนตัมที่ปรับปรุงหน่วยความจำได้ ซึ่งเป็นเกณฑ์มาตรฐานที่หมายความว่า SiV จะช่วยให้สามารถสื่อสารในระยะทางที่ไกลกว่าที่จะเป็นไปได้โดยไม่ต้องใช้ตัวทำซ้ำ
วิศวกรรมและการปรับขนาดเทคโนโลยีรอบ ๆ SiV ควรทำให้การปรับใช้เทคโนโลยีนี้อย่างกว้างขวางเป็นไปได้ และวิศวกรรมนี้เริ่มต้นด้วยวัสดุเพชรเอง
ในเพชรธรรมชาติ จำนวนอะตอมของข้อบกพร่องที่ไม่ต้องการจะลดคุณสมบัติการเชื่อมโยงกัน แสง และการหมุนของศูนย์สี เช่น NV และ SiV โชคดีที่การเติบโตของเพชรสังเคราะห์ทำให้ความไม่สมบูรณ์ที่ไม่พึงประสงค์เหล่านี้ลดลงได้
ความก้าวหน้าในการสะสมไอสารเคมี (PECVD) ที่เสริมด้วยพลาสมาในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา ทำให้แผ่นเพชรแต่ละแผ่นมีความบริสุทธิ์และความเป็นระเบียบเพียงพอสำหรับการใช้งานควอนตัม การเติบโตของ PECVD ช่วยให้เกิดการก่อตัวของเพชรที่บริสุทธิ์กว่าเพชร Regent Diamond หลายร้อยหรือหลายพันเท่า ซึ่งเป็นเพชรธรรมชาติบริสุทธิ์ที่มีชื่อเสียงซึ่งจัดแสดงในพิพิธภัณฑ์ลูฟร์
ในเพชร PECVD ที่ดีที่สุด มีอะตอมน้อยกว่าหนึ่งในล้านที่เป็นสิ่งสกปรก เทียบกับหนึ่งในพันของเพชรธรรมชาติส่วนใหญ่
การลงทุนอย่างต่อเนื่องในเทคโนโลยีเพชร PECVD จะมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้กับแอปพลิเคชันควอนตัม การปรับปรุงการควบคุมประเภทของข้อบกพร่องที่สร้างขึ้นและวัสดุที่รวมเข้าด้วยกันระหว่างการเจริญเติบโตของเพชร การขยายรูปแบบต่างๆ ของเพชรซึ่งสามารถผลิตได้เป็นจำนวนมาก และการลดต้นทุนการผลิตจะมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความก้าวหน้าของสาขานี้
คุณสมบัติทางแสงและควอนตัมของ Diamond ทำให้เพชรมีความโดดเด่นเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานระบบเครือข่ายควอนตัมและการสื่อสารด้วยควอนตัม แต่การขาดการเข้าถึงเพชรเกรดและสัณฐานวิทยาที่แตกต่างกันอย่างแพร่หลายถือเป็นความท้าทายสำหรับวงการนี้มาช้านาน
Element Six และ AWS ทำงานร่วมกันเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีใหม่เพื่อทำให้เพชรเป็นวัสดุที่ยืดหยุ่นและเข้าถึงได้มากขึ้น ซึ่งช่วยขับเคลื่อนการเติบโตและความก้าวหน้าของเทคโนโลยีนี้
ในขณะที่ภาคสนามยังคงมีคำถามพื้นฐานและทางเทคนิคมากมาย การทำงานร่วมกันระหว่าง AWS และ Element Six นี้มีเป้าหมายเพื่อพัฒนาโซลูชันเพชรสังเคราะห์ที่ปรับขนาดได้ซึ่งสอดคล้องกับการโต้ตอบและการควบคุมโฟตอนสปินที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งสามารถใช้เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมขั้นสูง รวมถึงความปลอดภัย เครือข่าย เซนเซอร์ หรือคอมพิวเตอร์ในอนาคต
ดูเพิ่มเติม : โมดูล IGBT | จอแสดงผล LCD | ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์