Синтетические алмазы приводят команду Принстона к прорыву в области квантового шифрования

Хранить квантовые биты информации или кубиты намного сложнее, чем хранить обычные двоичные цифры. Это не просто единицы или нули, а целый диапазон тонких квантовых суперпозиций между ними. Электроны могут легко выскользнуть из этих состояний, если они не хранятся в нужных материалах, поэтому инженеры-электрики из Принстона работают с британским производителем, чтобы создать более совершенный материал для хранения - синтетические алмазы - с нуля. Они опубликовали отчет об их успехе в четверг в Наука.

В течение десятилетий физики, инженеры-материалисты и другие пытались реализовать концептуальное обещание квантово-зашифрованных коммуникаций, потому что данные, передаваемые в этом процессе, теоретически не защищены от скрытого наблюдения. Любая попытка наблюдать эти данные между сторонами - как принцип неопределенности Гейзенберга - в корне изменила бы эту информацию, быстро обнаружив, что она была скомпрометирована. Проблема заключалась в том, чтобы хранить и сохранять кубиты, а затем преобразовывать их в фотоны, готовые к работе с оптоволокном, и использование алмазов, по-видимому, является путем к достижению обоих. Но не любой бриллиант подойдет, поэтому команда Принстона усердно работала над созданием синтетического, как они описывают в своей статье.

«Свойства, на которые мы нацеливаемся, имеют отношение к квантовым сетям», - говорит инженер-электрик Натали де Леон. обратный, В Принстоне, где де Леон является доцентом, ее команда сосредоточена на изобретении квантового оборудования. «Это приложения, в которых вы хотите что-то, что имеет длительное время хранения, а также имеет хороший интерфейс с фотонами, чтобы вы могли передавать свет на очень большие расстояния».

Фотонные взаимодействия очень важны для высокоскоростной международной связи, потому что вся информация, распространяющаяся по оптоволоконным кабелям, проходит через нашу глобальную инфраструктуру в виде дискретных фотонов - крейсерская с 69 процентами скорости света. (Ницца.)

«Это накладывает много ограничений на оптические характеристики», - говорит де Леон. «Например, очень важно, чтобы цвет был стабильным. Если цвет фотона меняется со временем, это очень плохо для этих протоколов ».

Прямо сейчас группа де Леона пытается создать версию этих синтетических алмазов, которые могут преобразовываться в стандартную длину волны 1550 нм, по которой фотоны теперь проходят через оптоволоконные кабели. В настоящее время синтетические алмазы ее команды поддерживают длину волны фотонов 946 нм. («Цвет» фотона - это немного эвфемизм, так как обе эти длины волны являются инфракрасными оттенками за пределами видимого спектра.)

Препятствие, которое ее команде только что удалось преодолеть, заключается в том, чтобы хранить эти кубиты в кристаллических квантовых повторителях, аналогично повторителям, которые в настоящее время используются для предотвращения потери и ухудшения сигнала в современной оптоволоконной связи. Критическим этапом в этом процессе было производство синтетических алмазов с как можно меньшим количеством нежелательных примесей (главным образом, азота) и большим количеством примесей, которые они действительно хотели (кремний и бор).

«Азот оказывается основным дефектом, который вы получаете в этих алмазах», - говорит де Леон. Партнерам ее группы по британскому производителю алмазов Element Six пришлось создать условия вакуума выше среднего, поскольку даже обычные пылесосы могут оставлять в камере достаточно азота, чтобы загрязнить искусственно сделанные кристаллы. Поскольку азот имеет на один свободный электрон больше, чем углерод, примеси азота нарушают уникальный электрический состав, на который надеются исследователи.

Другие мелкие дефекты могут также подорвать потенциал этих бриллиантов по хранению кубитов.Цель состоит в том, чтобы иметь пары вакансий размером с атом в кристаллическом каркасе рядом с замещенным атомом кремния, где раньше был один углерод, но иногда эти пары могут собираться вместе в «кластеры вакансий», которые начинают перераспределять свои электроны в раздражающем состоянии, контрпродуктивные способы. Иногда повреждения при полировке и травлении на поверхности алмаза также могут вызывать эффект домино, что также портит эту картину электронов. Именно здесь может помочь добавление бора, у которого на один свободный электрон меньше, чем у углерода.

«То, что мы должны были сделать, - говорит де Леон, - оба начинаются с этого алмаза сверхвысокой чистоты, а затем растут в небольшом количестве бора, чтобы в основном впитывать лишние электроны, которые мы не могли контролировать. Затем было проведено много обработки материалов - скучные вещи, такие как термический отжиг и ремонт поверхности в конце, чтобы мы по-прежнему избавлялись от многих других типов дефектов, которые дают вам дополнительные расходы ».

Решение многих из этих проблем, многие в этой области подозревают, является ключом к полностью функциональному и почти невозможно взломать квантовое шифрование.

До появления синтетических алмазов всего несколько лет назад исследователям в области квантовой оптики приходилось полагаться на природные алмазы, чтобы выполнять свою работу - в частности, один конкретный алмаз.

По словам де Леона, каждый в области квантовой оптики должен был полагаться на один природный алмаз из России, который, как оказалось, имел правильный процент бора, азота и других примесей, чтобы сделать их исследования возможными. Фрагменты алмаза были расколоты и распространены среди исследовательских групп по всему миру.

«У многих из групп был свой маленький кусочек« волшебного »российского алмаза», как де Леон сказал в новостной службе Принстона в 2016 году. «В Гарварде мы называли наших« Волшебная Алиса »и« Волшебный Боб »».

Итак, TL; DR, западные ученые становятся лучше в производстве своих собственных магических алмазов с квантовыми вычислениями, вместо того, чтобы полагаться на осколки российских магических алмазов с квантовыми вычислениями. Это фактическое предложение, которое звучит смешно. Классика 2018 года.