Synthetische diamanten leiden het Princeton-team naar de doorbraak in de kwantumversleuteling

Het opslaan van quantumbits van informatie, of qubits, is een stuk moeilijker dan het opslaan van gewone binaire cijfers. Het zijn niet alleen enen of nullen, maar het hele scala van subtiele kwantum superposities tussen hen. Elektronen kunnen gemakkelijk uit die staten glippen als ze niet in de juiste materialen zijn opgeslagen. Daarom werken elektrotechnici van Princeton samen met een Britse fabrikant om een ​​beter opslagmateriaal te maken - synthetische diamanten - vanaf het begin. Ze publiceerden een verslag van hun succes op donderdag in Wetenschap.

Decennia lang hebben natuurkundigen, materiaalingenieurs en anderen geprobeerd om de conceptuele belofte van kwantum-gecodeerde communicatie te bereiken, omdat de gegevens die in dat proces worden overgedragen, theoretisch immuun zijn voor geheime surveillance. Elke poging om die gegevens tussen partijen te observeren - à la het Heisenberg-onzekerheidsbeginsel - zou die informatie fundamenteel veranderen, en snel onthullen dat het gecompromitteerd was. Het probleem is het opslaan en bewaren van qubits en deze vervolgens converteren naar glasvezel-klaar fotonen, en het gebruik van diamanten lijkt de weg te zijn naar het bereiken van beide. Maar niet alleen elke diamant zal het doen, daarom heeft het team van Princeton hard gewerkt om een ​​synthetisch team te maken, zoals ze in hun artikel beschrijven.

"De eigenschappen die we targeten, zijn relevant voor kwantumnetwerken", vertelt elektrotechnisch ingenieur Nathalie de Leon omgekeerde. In Princeton, waar de Leon universitair docent is, concentreert haar team zich in essentie op het verzinnen van kwantumhardware. "Het zijn applicaties waar je iets wilt dat een lange opslagtijd heeft, en dan ook een goede interface heeft met fotonen, zodat je licht over zeer lange afstanden kunt sturen."

Fotonische interacties zijn van groot belang voor internationale hogesnelheidscommunicatie omdat alle informatie die langs glasvezelkabels reist, door onze wereldwijde infrastructuur beweegt als afzonderlijke fotonen - kruisen met 69 procent van de lichtsnelheid. (Leuk.)

"Dat legt veel beperkingen op aan de optische eigenschappen," zegt de Leon. "Als een voorbeeld, het is echt belangrijk dat de kleur stabiel is. Als de kleur van het foton door de tijd heen springt, dan is dat echt slecht voor deze protocollen."

Op dit moment probeert de groep van Leon een versie van deze synthetische diamanten te maken die kan worden omgezet in de standaard 1.550 nanometer golflengte waarop fotonen nu vezeloptische kabels doorkruisen. Momenteel ondersteunen de synthetische diamanten van haar team 946 nanometer fotongolflengten. (Foton "kleur" is hier een beetje een eufemisme, omdat beide golflengten buiten het zichtbare spectrum infraroodkleuren zijn.)

De horde die haar team net heeft weten te behalen, is het opslaan van die qubits in kristallijne quantum-repeaters, vergelijkbaar met de repeaters die momenteel worden gebruikt om signaalverlies en -degradatie te voorkomen in de glasvezelcommunicatie van vandaag. De kritieke stap in dit proces was het produceren van synthetische diamanten met zo weinig mogelijk ongewenste onzuiverheden (hoofdzakelijk stikstof) en meer van de onzuiverheden die ze eigenlijk wensten (silicium en boor).

"Stikstof blijkt het belangrijkste defect te zijn dat je in deze diamanten aantreft", zegt de Leon. De partners van haar groep bij de Britse diamantfabrikant Element Six moesten bovengemiddelde vacuümcondities creëren, omdat zelfs gewone stofzuigers genoeg stikstof in de kamer kunnen achterlaten om de kunstmatig gemaakte kristallen te verontreinigen. Omdat stikstof één meer vrij elektron dan koolstof heeft, verstoren stikstofverontreinigingen de unieke elektrische samenstelling waar de onderzoekers op hopen.

Andere kleine defecten kunnen ook het qubit-opslagpotentieel van deze diamanten ondermijnen. Het doel is om naast een gesubstitueerd siliciumatoom paren van atomische openingen in het kristalraamwerk te hebben, waar soms een enkele koolstof aanwezig was, maar soms kunnen die paren samen in "vacature-clusters" samenkomen die hun elektronen beginnen te herverdelen in hinderlijk, contraproductieve manieren. Soms kunnen polijst- en etsschade aan het oppervlak van de diamant ook een domino-effect veroorzaken, waarbij ook met dit patroon van elektronen wordt geknoeid. Dit is waar het toevoegen van boor - dat één minder vrij elektron dan koolstof heeft - kan helpen.

"Wat we moesten doen," zegt de Leon, "is dat beide beginnen met deze diamant met ultrahoge zuiverheid en dan in een boor groeien om in principe alle extra elektronen op te nemen die we niet konden controleren. Toen gebeurde er veel materiaalverwerking - saaie dingen zoals thermisch ontharden en het oppervlak herstellen aan het einde om ervoor te zorgen dat we nog steeds veel van deze andere soorten defecten kwijtraken die extra kosten met zich meebrengen."

Het beheersen van beide uitdagingen, velen in het veld, is de sleutel tot volledig functionele en bijna onmogelijk om kwantumversleuteling te kraken.

Vóór het aanbreken van synthetische diamanten, slechts een paar jaar geleden, moesten onderzoekers op het gebied van kwantumoptica vertrouwen op natuurlijke diamanten om hun werk te doen - in het bijzonder één specifieke diamant.

Volgens de Leon moest iedereen op het gebied van kwantumoptica vertrouwen op een enkele, natuurlijk gemaakte diamant uit Rusland die toevallig het juiste percentage borium, stikstof en andere onzuiverheden had om hun onderzoek mogelijk te maken. Fragmenten van de diamant werden afgesplitst en verdeeld over onderzoeksgroepen over de hele wereld.

"Veel van de groepen hadden hun eigen stukje van de 'magische' Russische diamant," zoals de Leon in 2016 Princetons interne nieuwsdienst vertelde. "Op Harvard noemden we onze 'Magic Alice' en 'Magic Bob.'"

Dus, TL; DR, westerse wetenschappers worden steeds beter in het vervaardigen van hun eigen magische quantum computing-diamanten in plaats van afhankelijk te zijn van splinters van Ruslands magische quantum computing-diamant. Dit is een feitelijke zin die belachelijk klinkt. Klassiek 2018.