Das Implantieren von Diamanten mit Fehlern bietet Schlüsseltechnologie für die Quantenkommunikation

Anonim

Diamanten sind für ihre Reinheit geschätzt, aber ihre Fehler könnten den Schlüssel zu einer neuen Art von hochsicheren Kommunikation halten.

Wissenschaftler der Princeton University nutzen Diamanten, um ein Kommunikationsnetzwerk aufzubauen, das auf einer Eigenschaft subatomarer Teilchen beruht, die als ihr Quantenzustand bekannt sind. Forscher glauben, dass solche Quanteninformationsnetzwerke extrem sicher sind und auch neue Quantencomputer zusammenarbeiten könnten, um Probleme zu lösen, die derzeit nicht lösbar sind. Wissenschaftler, die diese Netze derzeit entwerfen, stehen jedoch vor mehreren Herausforderungen, darunter die Frage, wie man zerbrechliche Quanteninformationen über lange Distanzen erhalten kann.

Jetzt haben die Forscher eine mögliche Lösung mit synthetischen Diamanten gefunden.

In einem Artikel, der diese Woche in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, beschreiben die Forscher, wie sie Bits von Quanteninformation, die als Qubits bekannt sind, speichern und übertragen konnten, indem sie einen Diamanten verwendeten, bei dem sie zwei Kohlenstoffatome durch ein Siliziumatom ersetzt hatten.

In Standard-Kommunikationsnetzwerken speichern Geräte, die als Repeater bezeichnet werden, Signale kurzzeitig und übertragen sie erneut, um ihnen zu ermöglichen, größere Entfernungen zurückzulegen. Nathalie de Leon, Assistenzprofessorin für Elektrotechnik an der Princeton University und leitende Forscherin, sagte, die Diamanten könnten als Quanten-Repeater für Netzwerke dienen, die auf Qubits basieren.

Die Idee eines Quanten-Repeaters gibt es schon lange, "aber niemand wusste, wie man sie baut", sagte de Leon. "Wir haben versucht, etwas zu finden, das als Hauptkomponente eines Quanten-Repeaters fungiert."

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung von Quanten-Repeatern bestand darin, ein Material zu finden, das Qubits speichern und übertragen kann. Bis jetzt ist der beste Weg, Qubits zu übertragen, sie in Lichtteilchen zu kodieren, die Photonen genannt werden. Optische Fasern, die derzeit in einem Großteil des Netzwerks verwendet werden, übertragen bereits Informationen über Photonen. Qubits in einer optischen Faser können jedoch nur kurze Entfernungen zurücklegen, bevor ihre speziellen Quanteneigenschaften verloren gehen und die Information verschlüsselt wird. Es ist schwierig, ein Photon einzufangen und zu speichern, das sich per definitionem mit Lichtgeschwindigkeit bewegt.

Stattdessen haben Forscher nach Festkörpern wie Kristallen gesucht, um den Speicher bereitzustellen. In einem Kristall, wie einem Diamanten, könnten Qubits theoretisch von Photonen auf Elektronen übertragen werden, die einfacher zu speichern sind. Der Schlüssel zur Durchführung einer solchen Übertragung wären Fehler innerhalb des Diamanten, Orte, an denen andere Elemente als Kohlenstoff im Kohlenstoffgitter des Diamanten gefangen sind. Juweliere wissen seit Jahrhunderten, dass Unreinheiten in Diamanten verschiedene Farben erzeugen. Für de Leons Team stellen diese Farbzentren, wie die Unreinheiten heißen, eine Möglichkeit dar, Licht zu manipulieren und einen Quanten-Repeater zu erzeugen.

Frühere Forscher versuchten zuerst, Defekte zu verwenden, die Stickstoffleerstellen genannt wurden - wobei ein Stickstoffatom an die Stelle eines der Kohlenstoffatome trat -, fanden aber heraus, dass diese Defekte zwar Informationen speichern, aber nicht die korrekten optischen Eigenschaften haben. Andere entschieden sich dann für die Untersuchung von Siliciumleerstellen - die Substitution eines Kohlenstoffatoms durch ein Siliciumatom. Aber Silizium-Leerstellen, während sie die Information auf Photonen übertragen konnten, fehlten lange Kohärenzzeiten.

"Wir haben gefragt:" Was wissen wir darüber, was die Grenzen dieser zwei Farbzentren verursacht? ", Sagte de Leon. "Können wir einfach etwas anderes von Grund auf neu entwerfen, etwas, das all diese Probleme angeht?"

Das Team unter Leitung von Princeton und ihre Mitarbeiter beschlossen, mit der elektrischen Ladung des Defekts zu experimentieren. Siliciumleerstellen sollten in der Theorie elektrisch neutral sein, aber es stellt sich heraus, dass andere in der Nähe befindliche Verunreinigungen elektrische Ladungen zu dem Defekt beitragen können. Das Team dachte, dass es eine Verbindung zwischen dem Ladungszustand und der Fähigkeit geben könnte, Elektronenspins in der richtigen Orientierung zu halten, um Qubits zu speichern.

Die Forscher schlossen sich mit Element Six, einem industriellen Diamantenhersteller, zusammen, um elektrisch neutrale Siliziumleerstellen zu konstruieren. Element Six begann damit, Schichten von Kohlenstoffatomen zu legen, um den Kristall zu bilden. Während des Prozesses fügten sie Boratome hinzu, die bewirken, dass andere Verunreinigungen verdrängt werden, die die neutrale Ladung zerstören könnten.

"Wir müssen diesen delikaten Ausgleichstanz zwischen Dingen schaffen, die Gebühren hinzufügen oder Kosten wegnehmen können", sagte de Leon. "Wir kontrollieren die Ladungsverteilung von den Hintergrunddefekten in den Diamanten, und das erlaubt uns, den Ladungszustand der Defekte zu kontrollieren, die uns wichtig sind."

Als nächstes implantierten die Forscher Siliziumionen in den Diamanten und erhitzten die Diamanten dann auf hohe Temperaturen, um andere Verunreinigungen zu entfernen, die ebenfalls Ladungen abgeben könnten. Durch mehrere Iterationen der Werkstofftechnik und Analysen, die in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Gemological Institute of America durchgeführt wurden, produzierte das Team neutrale Siliziumleerstellen in Diamanten.

Die neutrale Siliziumleerstelle eignet sich sowohl für die Übertragung von Quanteninformation durch Photonen als auch für die Speicherung von Quanteninformation unter Verwendung von Elektronen. Dies sind Schlüsselelemente für die Bildung der essentiellen Quanteneigenschaft, die als Verschränkung bekannt ist. Verschränkung ist der Schlüssel zur Sicherheit von Quanteninformation: Empfänger können Messungen ihres verschränkten Paars vergleichen, um zu sehen, ob ein Lauscher eine der Nachrichten beschädigt hat.

Der nächste Schritt in der Forschung besteht darin, eine Schnittstelle zwischen der neutralen Silizium-Leerstelle und den photonischen Schaltkreisen aufzubauen, um die Photonen aus dem Netzwerk in das Farbzentrum hinein und aus ihm heraus zu bringen.

Ania Bleszynski Jayich, Physikprofessorin an der Universität von Kalifornien, Santa Barbara, sagte, dass die Forscher erfolgreich eine langjährige Herausforderung gefunden hätten, einen Diamantfehler mit Eigenschaften zu finden, die für das Arbeiten mit Quanteneigenschaften von sowohl Photonen als auch Elektronen günstig sind.

"Der Erfolg des werkstofftechnischen Ansatzes der Autoren zur Identifizierung vielversprechender quantenbasierter Defekt-Festkörper-Quantenplattformen unterstreicht die Vielseitigkeit von Festkörperdefekten und wird wahrscheinlich eine umfassendere und umfassendere Suche über einen größeren Querschnitt von Material und Material anregen Defektkandidaten ", sagte Jayich, der nicht in die Forschung involviert war.

Das Princeton-Team bestand aus Brendon Rose, einem Postdoktoranden, und den Studenten Ding Huang und Zi-Huai Zhang, die Mitglieder von de Leons Labor sind. Zum Team von de Leon gehörten auch die Postdoktoranden Paul Stevenson, Sorawis Sangtwesin und Srikanth Srinivasan, ein ehemaliger Postdoktorand bei IBM. Zusätzliche Beiträge kamen von Mitarbeiter Forscher Alexei Tyryshkin und Professor für Elektrotechnik Stephen Lyon. Das Team arbeitete mit Lorne Loudin am Gemological Institute of America und Matthew Markham, Andrew Edmonds und Daniel Twitchen bei Element Six zusammen.

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