Syntetické diamanty vedou Princeton tým k kvantovému průlomu šifrování

Ukládání kvantových bitů informací, nebo qubits, je mnohem těžší než ukládání obyčejných binárních číslic. Není to jednoduché ani nuly, ale celá řada jemných kvantových superpozic mezi nimi. Elektrony mohou snadno vypadnout z těchto stavů, pokud nejsou uloženy ve správných materiálech, což je důvod, proč elektrotechnici v Princetonu spolupracují s britským výrobcem, aby vytvořili lepší skladovací materiál - syntetické diamanty - od nuly. Ve čtvrtek v roce 2007 zveřejnili svůj úspěch Věda.

Po desetiletí se fyzici, materiáloví inženýři a další pokoušeli dosáhnout konceptuálního příslibu kvantově šifrované komunikace, protože data přenášená v tomto procesu jsou teoreticky imunní vůči skrytému dohledu. Jakýkoli pokus pozorovat, že data mezi stranami - à la Heisenbergova zásada nejistoty - by tyto informace zásadně pozměnila, což by rychle odhalilo, že byla ohrožena. Problémem bylo ukládání a uchovávání qubitů a jejich konverze na fotony připravené na optická vlákna a použití diamantů se zdá být cestou k dosažení obou. Ale nejen diamant bude dělat, což je důvod, proč byl Princetonův tým tvrdý v práci a vytvořil syntetický tým, jak popisují ve svém příspěvku.

„Vlastnosti, na které se zaměřujeme, jsou důležité pro kvantové sítě,“ říká elektrotechnik Nathalie de Leon Inverzní. V Princetonu, kde je de Leon asistentem profesora, se její tým zaměřuje především na kvantový hardware. „Je to aplikace, kde chcete něco, co má dlouhou dobu skladování, a pak má také dobré rozhraní s fotony, takže můžete odesílat světlo na velmi dlouhé vzdálenosti.“

Fotonické interakce mají velký význam pro vysokorychlostní mezinárodní komunikaci, protože všechny informace, které se pohybují po optických kabelech, procházejí naší globální infrastrukturou jako diskrétní fotony - cestovní rychlostí 69 procent rychlosti světla. (Pěkný.)

„To dává mnoho optických vlastností,“ říká de Leon. „Jako jeden příklad je opravdu důležité, aby barva byla stabilní. Je-li barva fotonu časem skákat, pak je to pro tyto protokoly opravdu špatné. “

Právě teď se skupina de Leon pokouší vytvořit verzi těchto syntetických diamantů, které mohou převést na standardní vlnovou délku 1 550 nanometrů, na které fotony nyní procházejí optickými kabely. V současné době její syntetické diamanty podporují fotonové vlnové délky 946 nanometrů. (Fotonová „barva“ je zde trochu eufemismem, protože obě tyto vlnové délky jsou odstíny infračerveného záření mimo viditelné spektrum).

Překážka, kterou její tým právě překonal, je ukládání těchto qubitů do krystalických kvantových opakovačů, podobných opakovačům, které jsou v současné době používány k zabránění ztráty signálu a degradace v dnešních optických komunikacích. Kritickým krokem v tomto procesu byla výroba syntetických diamantů s co nejméně nežádoucími nečistotami (především dusíkem) a více nečistot, které skutečně chtěly (křemík a bór).

"Dusík se ukazuje být převládající vadou, kterou dostanete do těchto diamantů," říká de Leon. Partneři její skupiny u britského výrobce diamantů Element Six museli vytvořit nadprůměrné vakuové podmínky, protože i obyčejné vakuy mohou zanechat v komoře dostatek dusíku, aby kontaminovaly uměle vyrobené krystaly. Protože dusík má ještě jeden volný elektron než uhlík, dusíkaté nečistoty narušují jedinečný elektrický make-up, který vědci doufají.

Jiné malé defekty mohou také narušit potenciál těchto diamantů ukládat qubit.Cílem je mít dvojice volných pracovních míst v krystalickém rámci vedle substituovaného atomu křemíku, kde byl jeden uhlík, ale někdy se tyto páry mohou hromadit v „klastrech volných míst“, které začnou šířit své elektrony v nepříjemných situacích, kontraproduktivní. Někdy poškození leštěním a leptáním na povrchu diamantu může také způsobit dominový efekt, který se také s tímto vzorem elektronů pohltí. Zde může pomoci přidání boru, který má o jeden méně volného elektronu než uhlík.

„To, co jsme museli udělat,“ říká de Leon, „je to začátek s tímto diamantem s velmi vysokou čistotou a pak rostou v nějakém bóru, aby v podstatě nasákly kterýkoliv z dalších elektronů, které bychom nemohli ovládat. Pak tam bylo spousta zpracování materiálů - nudné věci, jako je tepelné žíhání a oprava povrchu na konci, aby se ujistil, že jsme se stále zbavit mnoha těchto dalších typů závad, které vám další poplatky.

Zvládnutí obou těchto výzev, mnoho v oboru podezřelých, je klíčem k plně funkční a téměř nemožné prasknout kvantové šifrování.

Před úsvitem syntetických diamantů jen před několika lety se vědci v oblasti kvantové optiky museli spoléhat na přírodní diamanty, aby mohli vykonávat svou práci - konkrétně jeden konkrétní diamant.

Podle de Leon, každý v oblasti kvantové optiky musel spoléhat na jeden, přirozeně vyrobený diamant z Ruska, který právě měl správné procento bóru, dusíku a dalších nečistot, aby jejich výzkum možný. Fragmenty diamantu byly odštěpeny a distribuovány výzkumným skupinám po celém světě.

„Mnoho skupin mělo svůj vlastní malý kousek„ magického “ruského diamantu,“ řekl de Leon v roce 2016 v tiskové službě v Princetonu. „Na Harvardu jsme nazvali naše„ Magic Alice “a„ Magic Bob “.

Takže, TL, DR, západní vědci se zlepšují ve výrobě vlastních magických kvantových výpočetních diamantů, místo aby se spoléhali na prameny ruského magického kvantového výpočetního diamantu. To je věcná věta, která zní směšně. Classic 2018.