Синтетичні алмази ведуть команду Princeton до квантового прориву шифрування

Зберігання квантових бітів інформації, або кубітів, набагато важче, ніж зберігання звичайних двійкових розрядів. Це не просто одне або нуль, а цілий спектр тонких квантових суперпозицій між ними. Електрони можуть легко випливати з цих станів, якщо вони не зберігаються в потрібних матеріалах, тому електроінженери Princeton працюють з британським виробником для створення кращого матеріалу для зберігання - синтетичних алмазів - з нуля. Вони опублікували звіт про свій успіх у четвер у Наука.

Протягом десятиліть фізики, інженери матеріалів та інші намагалися досягти концептуальної обіцянки квантово-зашифрованих комунікацій, оскільки дані, що передаються в цьому процесі, теоретично є імунітетом до прихованого спостереження. Будь-яка спроба побачити, що дані між сторонами - а Принцип невизначеності Гайзенберга - фундаментально змінить цю інформацію, швидко виявляючи, що вона була скомпрометована. Проблема полягає в тому, щоб зберігати і зберігати кубіти, а потім перетворювати їх у волоконно-оптичні фотони, а використання діамантів - це шлях до досягнення обох. Але не будь-який діамант зробить це, тому команда Принстона наполегливо працювала над створенням синтетичного, як вони описують у своєму документі.

"Властивості, які ми націлюємо, це те, що є актуальним для квантових мереж", - розповідає інженер-електрик Наталі де Леон Обернено. У Прінстоні, де де Леон є доцентом, основна увага її команди полягає в створенні квантового обладнання. "Це додатки, де ви хочете щось, що має тривалий час зберігання, а потім також має хороший інтерфейс з фотонами, так що ви можете відправляти світло на дуже великі відстані."

Фотонні взаємодії мають велике значення для високошвидкісних міжнародних комунікацій, оскільки вся інформація, що подорожує вздовж волоконно-оптичних кабелів, проходить через нашу глобальну інфраструктуру як дискретний фотон - круїз на 69% швидкості світла. (Ніцца.)

"Це ставить багато обмежень на оптичні характеристики", говорить де Леон. Як приклад, дуже важливо, щоб колір був стабільним. Якщо колір фотона стрибає з плином часу, то це дійсно погано для цих протоколів."

Зараз група de Leon намагається створити версію цих синтетичних алмазів, які можуть перетворити на стандартну довжину хвилі 1550 нанометрів, на якій фотони перетинають волоконно-оптичні кабелі. В даний час синтетичні алмази її команди підтримують довжини хвиль фотонів 946 нанометрів. (Цим кольором фотон є трохи евфемізмом, оскільки обидві ці довжини хвиль є відтінками інфрачервоного випромінювання поза видимим спектром).

Перешкода, з якою їй просто вдалося перетнути свою команду, - це зберігання цих кубітів у кристалічних квантових ретрансляторах, подібних до повторювачів, які зараз використовуються для запобігання втраті сигналу та його погіршення в сучасних волоконно-оптичних комунікаціях. Найважливішим етапом у цьому процесі є отримання синтетичних алмазів з якомога меншою кількістю небажаних домішок (азот, головним чином) і більше домішок, які вони дійсно бажали (кремній і бор).

"Азот виявляється переважним дефектом, який ви отримуєте в цих алмазах", - говорить де Леон. Партнери її групи в британському виробнику алмазів Element Six повинні були створити умови надвисокого вакууму, оскільки навіть звичайні вакууми можуть залишити достатню кількість азоту в камері для забруднення штучно виготовлених кристалів. Оскільки азот має ще один вільний електрон, ніж вуглець, домішки азоту порушують унікальну електричну косметику, на яку сподіваються дослідники.

Інші дрібні дефекти можуть також підірвати потенціал кубіт-зберігання цих алмазів.Мета полягає в тому, щоб мати пари атомних вакансій у кристалічному каркасі поряд з заміщеним атомом кремнію, де колись був єдиний вуглець, але іноді ці пари можуть згуртуватися разом у «вакансійних кластерах», які починають перерозподіляти свої електрони в дратівливому, контрпродуктивні способи. Іноді пошкодження полірування і травлення на поверхні алмазу також може викликати ефект доміно, що також заважає цьому шаблону електронів. Це допомагає додавання бору, який має один менш вільний електрон, ніж вуглець.

«Те, що ми повинні були зробити, - каже де Леон, - обидва починаються з цього ультрависокого чистого алмазу, а потім ростуть в якомусь борі, щоб в основному вбирати будь-який з додаткових електронів, які ми не могли контролювати. Потім було багато обробки матеріалів - нудні речі, такі як термічний відпал і ремонт поверхні в кінці, щоб переконатися, що ми все ще позбавляємося від багатьох інших видів дефектів, які дають вам додаткові витрати.

Освоєння обох цих завдань, багато хто з підозрюваних у цій галузі, є ключем до повноцінного функціонування і практично неможливо розкрити квантове шифрування.

До появи синтетичних алмазів лише кілька років тому дослідникам в області квантової оптики доводилося покладатися на природні алмази, щоб виконувати свою роботу - зокрема, конкретний алмаз.

За словами де Леона, всі в області квантової оптики повинні були покладатися на єдиний, природний алмаз з Росії, який, мабуть, мав правильний відсоток бору, азоту та інших домішок, щоб зробити їх дослідження можливим. Фрагменти алмазу були відщеплені і розподілені дослідницьким групам по всьому світу.

«Багато з груп мали свій власний маленький шматок« магічного »російського діаманта», як де Леон розповів службі новин Princeton в 2016 році. «У Гарварді ми називали наші« Magic Alice »і« Magic Bob ».

Так, TL, DR, західні вчені стають кращими у виробництві власних магічних квантових обчислювальних алмазів замість того, щоб залежати від слідів магічного квантового обчислювального алмазу Росії. Це фактичний вирок, який звучить смішно. Класичний 2018.