Syntetické diamanty Vedú Princeton tím ku kvantovému prielomu šifrovania

Ukladanie kvantových bitov informácií, alebo qubits, je oveľa ťažšie ako ukladanie obyčajných binárnych číslic. Nie je to jednoducho ani nula, ale celá škála jemných kvantových superpozícií medzi nimi. Elektróny sa môžu ľahko vysunúť z týchto stavov, ak nie sú uložené v správnych materiáloch, a preto elektrotechnici v Princetone spolupracujú s britským výrobcom na vytvorení lepšieho skladovacieho materiálu - syntetických diamantov - od nuly. Vo štvrtok v roku 2007 zverejnili svoj úspech veda.

Po desaťročia sa fyzici, materiáloví inžinieri a iní snažia dosiahnuť koncepčný prísľub kvantovo kódovanej komunikácie, pretože údaje prenášané v tomto procese sú teoreticky imúnne voči skrytému dohľadu. Akýkoľvek pokus o zistenie, že údaje medzi účastníkmi - a to v prípade Heisenbergovho princípu neistoty - by zásadne zmenili tieto informácie, čo by rýchlo odhalilo, že to bolo ohrozené. Problémom bolo ukladanie a uchovávanie qubitov a ich konverzia na fotóny pripravené na optické vlákna a použitie diamantov sa zdá byť cestou k dosiahnutiu oboch. Ale nielen diamant bude robiť, čo je dôvod, prečo bol Princetonov tím tvrdý v práci a vytvoril syntetický tím, ako to opisujú vo svojom príspevku.

„Vlastnosti, na ktoré sa zameriavame, sú dôležité pre kvantové siete,“ hovorí elektrotechnik Nathalie de Leon obrátený, V Princetone, kde je de Leon asistentom profesora, sa jej tím zameriava hlavne na kvantový hardvér. „Je to aplikácia, kde chcete niečo, čo má dlhú dobu skladovania, a potom má tiež dobré rozhranie s fotónmi, takže môžete posielať svetlo na veľmi dlhé vzdialenosti.“

Fotonické interakcie sú veľmi dôležité pre vysokorýchlostnú medzinárodnú komunikáciu, pretože všetky informácie, ktoré cestujú pozdĺž optických káblov, prechádzajú cez našu globálnu infraštruktúru ako diskrétne fotóny - cestovné rýchlosťou 69 percent rýchlosti svetla. (Pekný.)

"To dáva veľa obmedzení na optické vlastnosti," hovorí de Leon. „Ako jeden príklad je naozaj dôležité, aby bola farba stabilná. Ak sa farba fotónu skáča v priebehu času, potom je to pre tieto protokoly naozaj zlé. “

Práve teraz sa skupina de Leon snaží vytvoriť verziu týchto syntetických diamantov, ktoré sa môžu premeniť na štandardnú vlnovú dĺžku 1 550 nm, na ktorej fotóny teraz prechádzajú cez optické káble. V súčasnosti syntetické diamanty svojho tímu podporujú fotonové vlnové dĺžky 946 nanometrov. (Fotonová „farba“ je tu trocha eufemizmu, pretože obe tieto vlnové dĺžky sú odtieňmi infračerveného žiarenia mimo viditeľného spektra.)

Prekážkou, ktorej sa jej tím podarilo, je uchovávanie týchto qubitov v kryštalických kvantových opakovačoch, podobných opakovačom, ktoré sa v súčasnosti používajú na prevenciu straty signálu a degradácie v dnešnej optickej komunikácii. Kritickým krokom v tomto procese bola výroba syntetických diamantov s čo najmenšími nežiaducimi nečistotami (najmä dusík) a viac nečistôt, ktoré skutočne chceli (kremík a bór).

"Zdá sa, že dusík je prevládajúcou chybou, ktorú dostanete do týchto diamantov," hovorí de Leon. Partneri jej skupiny britského výrobcu diamantov Element Six museli vytvoriť nadpriemerné vákuové podmienky, pretože aj obyčajné vákuum môže zanechať v komore dostatok dusíka na kontamináciu umelo vyrobených kryštálov. Pretože dusík má ešte jeden voľný elektrón ako uhlík, dusíkaté nečistoty rušia jedinečný elektrický make-up, o ktorý dúfajú výskumníci.

Iné malé chyby môžu tiež ohroziť potenciál týchto diamantov ukladať qubit.Cieľom je mať dvojice voľných miest v kryštálovej štruktúre vedľa substituovaného atómu kremíka, kde bol jeden uhlík, ale niekedy sa tieto páry môžu hromadiť v „klastroch voľných miest“, ktoré začnú prerozdeľovať elektróny v otravných, kontraproduktívne. Niekedy môže poškodenie leštením a leptaním na povrchu diamantu spôsobiť aj dominový efekt, ktorý naráža aj na tento model elektrónov. Tu môže pomôcť pridanie bóru, ktorý má o jeden menej voľného elektrónu ako uhlík.

„To, čo sme museli urobiť,“ hovorí de Leon, „je to začiatok s týmto diamantom s vysokou čistotou a potom rastie v nejakom bóri, aby ste v podstate nasiakli ktorýkoľvek z ďalších elektrónov, ktoré by sme nemohli ovládať. Potom tu bolo veľa spracovania materiálov - nudné veci, ako je tepelné žíhanie a oprava povrchu na konci, aby sme sa uistili, že sme sa zbavili mnohých ďalších typov defektov, ktoré vám dávajú ďalšie poplatky. “

Zvládnutie oboch týchto výziev, mnoho v oblasti podozrivé, sú kľúče k plne funkčné a takmer nemožné crack kvantové šifrovanie.

Pred úsvitom syntetických diamantov len pred niekoľkými rokmi sa výskumníci v oblasti kvantovej optiky museli spoliehať na prírodné diamanty, aby robili svoju prácu - najmä špecifický diamant.

Podľa de Leon, každý v oblasti kvantovej optiky sa musel spoliehať na jeden, prirodzene vyrobený diamant z Ruska, ktorý práve mal správne percento bóru, dusíka a iných nečistôt, aby ich výskum bol možný. Fragmenty diamantu boli odštiepené a distribuované výskumným skupinám po celom svete.

„Mnohé z týchto skupín mali svoj vlastný malý kúsok„ magického “ruského diamantu,“ povedal de Leon pre tlačovú agentúru Princeton v roku 2016. „Na Harvarde sme nazvali našu„ Magic Alice “a„ Magic Bob “.

Takže, TL, DR, západní vedci sa zlepšujú vo výrobe vlastných magických kvantových výpočtových diamantov namiesto toho, aby sa spoliehali na kúsky diamantu ruskej magickej kvantovej výpočtovej techniky. Toto je faktická veta, ktorá znie smiešne. Classic 2018.