Mạng lượng tử sử dụng các thuộc tính vướng víu và chồng chất để phân phối thông tin lượng tử một cách an toàn giữa những người dùng cuối của mạng.
Các mạng này bao gồm hai loại nút – nút xương sống và nút người dùng cuối – mỗi loại dựa trên các loại nút khác nhau. công nghệ. Các nút người dùng cuối có thể sử dụng các tài nguyên viễn thông truyền thống như tia laser và máy dò để liên lạc với các nút đường trục.
Mặt khác, các nút xương sống sẽ yêu cầu một loại cơ sở hạ tầng mới: bộ lặp lượng tử. Các bộ lặp này có chức năng tương tự như các bộ khuếch đại trong các mạng truyền thông cổ điển bằng cách sửa lỗi mất mát và không trung thực xảy ra khi thông tin lượng tử lan truyền trên một khoảng cách dài, nhưng có thể làm như vậy mà không làm gián đoạn trạng thái lượng tử của ánh sáng truyền qua mạng.
Điều này cho phép điều chỉnh sự tán xạ không thể tránh khỏi của các hạt ánh sáng riêng lẻ, được gọi là photon, khi chúng đi qua ngay cả sợi quang viễn thông tốt nhất. Như vậy, các bộ lặp này có thể truyền thông tin lượng tử qua các khoảng cách mà nếu không thì sẽ không thể thực hiện được do mất photon.
Bộ lặp lượng tử sẽ đóng vai trò là xương sống cho internet lượng tử trong tương lai, cho phép liên lạc riêng tư và an toàn – khiến chúng trở thành trọng tâm nghiên cứu tại Trung tâm Mạng lượng tử AWS.
Yếu tố cốt lõi của một bộ lặp lượng tử là một qubit bộ nhớ giao tiếp với ánh sáng. Qubit này bắt thông tin được mã hóa trên ánh sáng, lưu trữ nó và cùng với các qubit lân cận khác thực hiện sửa lỗi để loại bỏ bất kỳ lỗi nào có thể xảy ra trong quá trình giao tiếp.
Để khả thi, các qubit bộ nhớ này cần phải có tương tác đáng tin cậy với ánh sáng trong miền khả kiến hoặc viễn thông (loại trừ nhiều ứng cử viên qubit hàng đầu khỏi tính toán lượng tử, chẳng hạn như qubit siêu dẫn) và tốt nhất là khả thi để sản xuất hàng loạt. Những yêu cầu này làm cho các qubit khiếm khuyết, giống như tâm màu trong kim cương, trở thành ứng cử viên hàng đầu cho bộ nhớ lặp lại lượng tử.
Các khuyết tật trong chất rắn là một loại qubit rộng bao gồm một hoặc nhiều nguyên tử tạo thành một khuyết tật bên trong một vật liệu tinh thể đồng nhất khác. Tùy thuộc vào loại nguyên tử và vật liệu được sử dụng, qubit được xác định từ trạng thái điện tử hoặc từ tính của (các) nguyên tử khiếm khuyết.
Các qubit khiếm khuyết được tìm thấy trong nhiều vật liệu một cách tự nhiên và thường có thể được đưa vào một cách nhân tạo thông qua việc cấy ghép mục tiêu vào vật liệu chủ với nguyên tử khiếm khuyết được lựa chọn. Mặc dù có rất nhiều vật liệu có khả năng lưu trữ các qubit khiếm khuyết, nhưng việc tìm ra một cặp vật liệu-lỗi có bất kỳ tổ hợp đặc tính cụ thể nào là một nhiệm vụ đầy thách thức.
Mặc dù tinh khiết hơn các tinh thể tự nhiên khác, nhưng chứa nhiều tạp chất khác nhau được kết hợp từ môi trường trong quá trình tăng trưởng chậm và lâu dài. Những tạp chất này là thứ khiến kim cương có nhiều màu sắc khác nhau – từ xanh lam đậm đến hồng sáng. Tuy nhiên, trong một số trường hợp nhất định, các khiếm khuyết trong kim cương không chỉ làm cho chúng trở nên độc đáo và đẹp mắt: chúng còn có thể hoạt động như những qubit đặc biệt cho các ứng dụng mạng lượng tử.
Kim cương chứa nhiều khiếm khuyết khác nhau, nhưng hai loại qubit khiếm khuyết kim cương đã nổi lên như những ứng cử viên hàng đầu cho các ứng dụng truyền thông: Trung tâm Chỗ trống Nitơ (NV) và Trung tâm Chỗ trống Silicon (SiV). Cả NV và SiV đều được hình thành bằng cách loại bỏ hai nguyên tử Carbon liền kề khỏi mạng tinh thể kim cương và thay thế chúng bằng một nguyên tử Nitơ hoặc Silicon tương ứng.
nhớ ánh sáng
Bộ lặp lượng tử hoạt động bằng cách truyền thông tin được mã hóa trên các photon vào một qubit bộ nhớ cố định, nơi thông tin có thể được lưu trữ và sửa chữa. Các qubit khiếm khuyết, chẳng hạn như trung tâm màu, là những ứng cử viên sáng giá cho thao tác này vì chúng tự nhiên có giao diện hiệu quả với ánh sáng (nguồn tạo ra màu của chúng) và vì một tập hợp con có quyền truy cập vào bộ nhớ “quay” tồn tại lâu dài.
Spin này có thể được coi như một nam châm cực nhỏ chứa bên trong mọi electron, proton và neutron trong vật liệu. Bộ nhớ spin này có thể được truy cập bằng cách đặt qubit trong một từ trường sao cho các spin định hướng dọc theo hướng của trường.
Sau đó, bộ nhớ được xác định bằng cách spin hướng dọc hay ngược chiều từ trường, tương ứng với bit 1 hoặc 0 tương ứng. Khi ánh sáng bật ra khỏi tâm màu, nó có thể lật qubit spin này, giúp truyền thông tin giữa ánh sáng và bộ nhớ spin trong cái được gọi là giao diện spin-photon. Các trung tâm màu có thuộc tính này – chẳng hạn như NV và SiV – là những ứng cử viên hữu ích cho các bộ lặp lượng tử.
NV và SiV khác với các trung tâm màu khác ở chỗ được lưu trữ bằng kim cương, tương thích với nhiều loại màu khác nhau. Semiconductor quá trình và trơ về mặt hóa học và ổn định trong nhiều môi trường khác nhau.
Điều này có nghĩa là các qubit này có thể được định vị bên trong các thiết bị có kích thước nano được thiết kế cho các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, NV thường được đặt ở đầu của đầu dò quét dành cho kính hiển vi hoặc ở tâm của thấu kính hình bán cầu hoặc các trụ được sử dụng để thu thập ánh sáng một cách hiệu quả.
SiV, ít nhạy cảm với môi trường, có thể được đặt bên trong các cấu trúc thậm chí còn nhỏ hơn. Chúng thường được sử dụng bên trong các ống dẫn sóng và các hốc tinh thể quang tử có đường kính chỉ 100 nanomet.
SiV là một phần của loại khuyết tật đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, được gọi là khuyết tật “Nhóm IV”, được xác định bởi vị trí của chúng trên bảng tuần hoàn, đáng chú ý là độ nhạy thấp đối với dao động từ trường và điện trường xảy ra trên bề mặt. của hầu hết các vật liệu.
Độ nhạy giảm này giúp SiV có thể được đặt bên trong các cấu trúc nhỏ hơn – từ đó cải thiện độ tin cậy khi chúng tương tác với ánh sáng. Một khiếm khuyết SiV cũng có các thuộc tính khác khiến nó rất phù hợp với các hoạt động của mạng lượng tử.
Nó có thời gian kết hợp lên tới 10 mili giây và bộ nhớ spin hạt nhân thứ cấp có thể tồn tại hơn một giây. SiV có thể được điều khiển và đọc riêng lẻ với độ chính xác cao, với độ trung thực đầu ra là 99.98%, độ trung thực của cổng qubit đơn tốt hơn 99% và độ trung thực của cổng spin photon tốt hơn 95%.
Sử dụng kim cương tổng hợp của Element Six, các tính năng này đã được kết hợp bởi một nhóm các nhà khoa học Harvard và MIT để cho phép giao tiếp lượng tử tăng cường bộ nhớ, một tiêu chuẩn có nghĩa là SiV sẽ cho phép giao tiếp qua khoảng cách xa hơn mức có thể nếu không có bộ lặp.
Kỹ thuật và mở rộng quy mô công nghệ xung quanh SiV sẽ giúp cho việc triển khai rộng rãi công nghệ này có thể thực hiện được— và kỹ thuật này bắt đầu với chính vật liệu kim cương.
Trong kim cương tự nhiên, số lượng nguyên tử khuyết tật không mong muốn làm giảm tính chất kết hợp, quang học và spin của các tâm màu như NV và SiV. May mắn thay, sự ra đời của công nghệ tăng trưởng kim cương tổng hợp đã giúp giảm thiểu những khiếm khuyết không mong muốn này.
Những tiến bộ trong lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD) trong 20 năm qua đã cho phép phát triển các tấm kim cương riêng lẻ có đủ độ tinh khiết và trật tự cho các ứng dụng lượng tử. Sự tăng trưởng của PECVD cho phép hình thành những viên kim cương tinh khiết hơn hàng trăm hoặc hàng nghìn lần so với Regent Diamond, viên kim cương tự nhiên nguyên chất nổi tiếng được trưng bày ở bảo tàng Louvre.
Trong viên kim cương PECVD tốt nhất, có ít hơn một phần triệu nguyên tử là tạp chất – so với một phần nghìn đối với hầu hết các viên kim cương tự nhiên.
Tiếp tục đầu tư vào công nghệ kim cương PECVD sẽ rất quan trọng để cho phép sử dụng công nghệ này cho các ứng dụng lượng tử. Cải thiện khả năng kiểm soát các loại khuyết tật được tạo ra và vật liệu kết hợp trong quá trình phát triển kim cương, mở rộng các hình thái khác nhau của kim cương có thể được sản xuất hàng loạt và giảm chi phí sản xuất sẽ rất quan trọng đối với sự tiến bộ của lĩnh vực này
Các đặc tính quang học và lượng tử của kim cương khiến nó có triển vọng đặc biệt cho các ứng dụng truyền thông lượng tử và mạng lượng tử – nhưng việc thiếu khả năng tiếp cận rộng rãi các loại và hình thái khác nhau của kim cương từ lâu đã là một thách thức đối với lĩnh vực này.
Element Six và AWS đang hợp tác để phát triển các công nghệ mới nhằm biến kim cương thành một vật liệu linh hoạt và dễ tiếp cận hơn – giúp thúc đẩy tăng trưởng và tiến bộ cho công nghệ này.
Mặc dù lĩnh vực này vẫn đặt ra nhiều câu hỏi cơ bản và kỹ thuật, sự hợp tác này giữa AWS và Element Six nhằm mục đích phát triển một giải pháp kim cương tổng hợp có quy mô linh hoạt phù hợp với khả năng kiểm soát và tương tác spin photon hiệu quả, có thể được sử dụng để thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ lượng tử, bao gồm bảo mật mạng, cảm biến hoặc máy tính trong tương lai.
Xem thêm : Mô-đun IGBT | Màn hình LCD | Linh kiện điện tử