Kuantum ağları, kuantum bilgilerinin ağ son kullanıcıları arasında güvenli bir şekilde dağıtılması için dolaşma ve süperpozisyon özelliklerini kullanır.
Bu ağlar, her biri farklı türde ağlara dayanan iki tür düğümden (omurga düğümleri ve son kullanıcı düğümleri) oluşur. teknoloji. Son kullanıcı düğümleri, omurga düğümleriyle iletişim kurmak için lazerler ve dedektörler gibi geleneksel telekomünikasyon kaynaklarını kullanabilir.
Öte yandan omurga düğümleri yeni bir altyapı türü gerektirecek: kuantum tekrarlayıcı. Bu tekrarlayıcılar, kuantum bilgisinin uzun mesafelerde yayılmasıyla ortaya çıkan kayıp ve sadakatsizliği düzelterek klasik iletişim ağlarındaki amplifikatörlere benzer bir işlev görür, ancak bunu ağdan geçen ışığın kuantum durumunu bozmadan yapabilirler.
Bu, en iyi telekomünikasyon fiberinden bile geçerken, fotonlar olarak bilinen bireysel ışık parçacıklarının kaçınılmaz saçılımını düzeltmeyi mümkün kılar. Böylelikle bu tekrarlayıcılar, kuantum bilgisinin, foton kaybı nedeniyle normalde imkansız olacak mesafelere yayılmasını mümkün kılıyor.
Kuantum tekrarlayıcılar, güvenli ve özel iletişimi mümkün kılacak gelecekteki kuantum internetin omurgası görevi görecek ve bu da onları AWS Kuantum Ağ Merkezi'ndeki araştırmaların merkezi odağı haline getirecek.
Bir kuantum tekrarlayıcının temel unsuru, ışıkla arayüz oluşturan bir hafıza kübitidir. Bu kübit, ışıkta kodlanan bilgiyi yakalayıp saklıyor ve yakınındaki diğer kübitlerle birlikte hata düzeltme yaparak iletişim sırasında oluşabilecek hataları ortadan kaldırıyor.
Uygulanabilir olması için, bu bellek kübitlerinin görünür alanda veya telekom alanında ışıkla güvenilir etkileşimlere sahip olması gerekir (süper iletken kübitler gibi kuantum hesaplamanın önde gelen kübit adaylarının çoğunu hariç tutar) ve tercihen seri üretime uygun olmalıdır. Bu gereksinimler, elmastaki renk merkezleri gibi kusurlu kübitleri oluşturur ve adayları kuantum tekrarlayıcı bellekler olarak yönlendirir.
Katılardaki kusurlar, bir veya daha fazla atomun düzgün, kristal bir malzeme içinde kusur oluşturmasından oluşan geniş bir kübit sınıfıdır. Kullanılan atomun ve malzemenin türüne bağlı olarak kübit, kusurlu atomun/atomların elektronik veya manyetik durumlarından tanımlanır.
Kusurlu kübitler birçok malzemede doğal olarak bulunur ve çoğu zaman, seçilen kusurlu atom ile bir konakçı malzemenin hedeflenen implantasyonu yoluyla yapay olarak yerleştirilebilir. Kusurlu kübitleri barındırma kapasitesine sahip bu kadar çok malzemeye rağmen, herhangi bir spesifik özellik kombinasyonuna sahip bir malzeme kusuru çifti bulmak zorlu bir iştir.
Diğer doğal kristallerden daha saf olmasına rağmen, uzun ve yavaş büyüme süreci sırasında çevreden gelen birçok farklı yabancı maddeyi içerir. Bu safsızlıklar, elmaslara koyu maviden parlak pembeye kadar geniş bir yelpazedeki renklerini veren şeydir. Ancak bazı durumlarda elmastaki kusurlar, onları benzersiz ve güzel kılmaktan fazlasını yapar: aynı zamanda kuantum ağ uygulamaları için olağanüstü kubitler olarak da hareket edebilirler.
Elmas birçok farklı kusura ev sahipliği yapıyor, ancak iletişim uygulamaları için önde gelen adaylar olarak iki sınıf elmas kusurlu kübit ortaya çıktı: Nitrojen-Boşluk Merkezi (NV) ve Silikon-Boşluk Merkezi (SiV). Hem NV hem de SiV, bir elmas kristal kafesinden iki bitişik Karbon atomunun çıkarılması ve bunların sırasıyla tek bir Azot veya Silikon atomu ile değiştirilmesiyle oluşturulur.
Işığı hatırlamak
Kuantum tekrarlayıcılar, fotonlar üzerinde kodlanan bilgileri, bilgilerin saklanıp düzeltilebileceği sabit bir bellek kübitine aktararak çalışır. Renk merkezleri gibi kusurlu kübitler bu işlem için iyi adaylardır çünkü doğal olarak ışıkla (renklerinin kaynağı) etkili bir arayüze sahiptirler ve bir alt kümenin uzun ömürlü bir "döndürme" hafızasına erişimi vardır.
Bu dönüş, malzemedeki her elektronun, protonun ve nötronun içinde bulunan küçük bir mıknatıs olarak düşünülebilir. Bu dönüş belleğine, kübitin, dönüşler alanın yönüne göre yönlendirilecek şekilde manyetik bir alana yerleştirilmesiyle erişilebilir.
Bellek daha sonra spinin, sırasıyla 1 veya 0 bitine karşılık gelen manyetik alan boyunca mı yoksa ters yönde mi işaret ettiğine göre tanımlanır. Işık bir renk merkezinden yansıdığında bu spin kübitini çevirebilir ve spin-foton arayüzü olarak bilinen şekilde ışık ile spin hafızası arasında bilgi aktarımını mümkün kılar. Bu özelliğe sahip renk merkezleri (NV ve SiV gibi) kuantum tekrarlayıcılar için yararlı adaylardır.
NV ve SiV, çok çeşitli renklerle uyumlu olan elmas içinde barındırılmasıyla diğer renk merkezlerinden farklıdır. Yarıiletken birçok farklı ortamda kimyasal olarak inert ve stabildir.
Bu, bu kübitlerin belirli uygulamalar için tasarlanmış nano ölçekli cihazların içine yerleştirilebileceği anlamına gelir. Örneğin NV'ler genellikle mikroskopi için bir tarama probunun ucuna veya ışığı verimli bir şekilde toplamak için kullanılan yarı küresel bir merceğin veya sütunların merkezine yerleştirilir.
Çevreye daha az duyarlı olan SiV'ler daha küçük yapıların içine bile yerleştirilebilir. Genellikle dalga kılavuzlarında ve sadece 100 nanometre çapındaki fotonik kristal boşluklarda kullanılırlar.
SiV, yüzeylerde meydana gelen manyetik ve elektrik alan dalgalanmalarına karşı düşük hassasiyetleriyle dikkat çeken, periyodik tablodaki konumlarına göre verilen, "Grup IV" kusurları olarak bilinen, iyi çalışılmış bir kusur sınıfının bir parçasıdır. çoğu malzemeden.
Bu azaltılmış hassasiyet, SiV'nin daha küçük yapıların içine yerleştirilmesini mümkün kılıyor ve bu da ışıkla etkileşime girme güvenilirliğini artırıyor. Bir SiV kusuru ayrıca onu kuantum ağ oluşturma işlemleri için çok uygun kılan başka özelliklere de sahiptir.
10 milisaniyeye kadar tutarlılık süresine ve bir saniyeden fazla yaşayabilen ikincil nükleer dönüş hafızasına sahiptir. SiV'ler, %99.98 okuma doğruluğu, %99'dan daha iyi tek kübit kapısı doğruluğu ve %95'ten daha iyi spin foton kapısı doğruluğu ile yüksek doğrulukla ayrı ayrı kontrol edilebilir ve okunabilir.
Element Six'in sentetik elmaslarını kullanan bu özellikler, Harvard ve MIT bilim adamlarından oluşan bir ekip tarafından hafıza destekli kuantum iletişimini mümkün kılmak için birleştirildi; bu, SiV'nin tekrarlayıcılar olmadan mümkün olandan daha uzun mesafelerde iletişimi mümkün kılacağı anlamına gelen bir kıyaslamadır.
SiV'yi çevreleyen teknolojinin mühendisliği ve ölçeğinin büyütülmesi, bu teknolojinin yaygın olarak kullanılmasını mümkün kılmalıdır ve bu mühendislik, elmas malzemenin kendisiyle başlar.
Doğal elmasta istenmeyen kusurlu atomların sayısı, NV ve SiV gibi renk merkezlerinin tutarlılığını, optik ve dönme özelliklerini azaltır. Neyse ki sentetik elmas büyümesinin ortaya çıkışı bu istenmeyen kusurların azaltılmasını mümkün kıldı.
Son 20 yılda plazmayla güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirme (PECVD) alanındaki ilerlemeler, kuantum uygulamaları için yeterli saflık ve düzenliliğe sahip ayrı ayrı elmas plakaların büyütülmesine olanak sağladı. PECVD'nin büyümesi, Louvre'da sergilenen ünlü saf doğal elmas Regent Diamond'dan yüzlerce veya binlerce kat daha saf elmasların oluşmasını sağlar.
En iyi PECVD pırlantasında milyonda bir atomdan daha azı safsızlıktır; çoğu doğal elmasta ise binde birdir.
PECVD elmas teknolojisine yatırım yapmaya devam etmek, onun kuantum uygulamalarında kullanılmasını sağlamak açısından kritik öneme sahip olacaktır. Elmas büyütme sırasında oluşan kusur türleri ve eklenen malzeme üzerindeki kontrolün geliştirilmesi, seri üretilebilen elmasların farklı morfolojilerinin genişletilmesi ve bunların üretim maliyetlerinin düşürülmesi, bu alanın ilerlemesi açısından kritik öneme sahip olacaktır.
Diamond'ın optik ve kuantum özellikleri, onu kuantum ağ oluşturma ve kuantum iletişim uygulamaları için benzersiz bir şekilde umut verici kılıyor; ancak elmasın farklı dereceleri ve morfolojilerine yaygın erişimin olmaması, bu alan için uzun süredir bir zorluk oluşturuyor.
Element Six ve AWS, elması daha esnek ve erişilebilir bir malzeme haline getirmek için yeni teknolojiler geliştirmek üzere birlikte çalışıyor ve bu teknolojinin büyümesine ve ilerlemesine yardımcı oluyor.
Alanda hâlâ birçok temel ve teknik soru mevcut olsa da AWS ile Element Six arasındaki bu iş birliği, güvenli foton-dönme etkileşimi ve kontrolü ile tutarlı, kuantum teknolojilerinin gelişimini ilerletmek için kullanılabilecek ölçeklenebilir bir sentetik elmas çözümü geliştirmeyi amaçlıyor. gelecekte ağlar, sensörler veya bilgisayarlar.
Daha fazla göster : IGBT modülleri | LCD ekranlar | Elektronik Bileşenler