Atomiske ufuldkommenheder flytter kvantekommunikationsnetværk tættere på virkeligheden

Et internationalt team ledet af University of Chicago's Institute for Molecular Engineering har opdaget, hvordan man manipulerer en underlig kvantegrænseflade mellem lys og stof i siliciumcarbid langs bølgelængder, der bruges i telekommunikation.

Arbejdet fremmer muligheden for at anvende kvantemekaniske principper på eksisterende optiske fibernet til sikker kommunikation og geografisk distribueret kvanteberegning. Prof. David Awschalom og hans 13 medforfattere annoncerede deres opdagelse i 23. juni-udgaven af Fysisk gennemgang X .

"Siliciumcarbid bruges i øjeblikket til at bygge en lang række klassiske elektroniske enheder i dag, "sagde Awschalom, Liew -familieprofessoren i molekylær teknik ved UChicago og en seniorforsker ved Argonne National Laboratory. "Alle behandlingsprotokoller er på plads til at fremstille små kvanteenheder ud af dette materiale. Disse resultater giver en vej til at bringe kvantefysik ind i den teknologiske verden."

Resultaterne er delvist baseret på teoretiske modeller af materialer udført af Awschaloms medforfattere på det ungarske videnskabsakademi i Budapest. En anden forskergruppe ved Sveriges Linköpings Universitet dyrkede meget af det siliciumcarbidmateriale, som Awschaloms team testede i forsøg i UChicago. Og et andet team ved National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology i Japan hjalp UChicago -forskerne med at lave kvantefejl i materialerne ved at bestråle dem med elektronstråler.

Kvantemekanik styrer stofets adfærd på atom- og subatomære niveauer på eksotiske og kontraintuitive måder sammenlignet med den klassiske fysiks hverdag. Den nye opdagelse afhænger af en kvantegrænseflade inden for atomskala-defekter i siliciumcarbid, der genererer den skrøbelige egenskab ved sammenfiltring, et af de mærkeligste fænomener, som kvantemekanikken forudsiger.

Forvikling betyder, at to partikler kan være så uløseligt forbundet, at den ene partikels tilstand øjeblikkeligt kan påvirke den anden, uanset hvor langt de er fra hinanden.

"Denne ikke-intuitive karakter af kvantemekanik kan udnyttes for at sikre, at kommunikation mellem to parter ikke opfanges eller ændres, "Sagde Awschalom.

Udnytter kvantemekanik

Resultaterne styrker den engang uventede mulighed for at oprette og kontrollere kvantetilstande i materialer, der allerede har teknologiske anvendelser, Awschalom bemærkede. At forfølge det videnskabelige og teknologiske potentiale i sådanne fremskridt bliver fokus for den nyligt annoncerede Chicago Quantum Exchange, som Awschalom vil instruere.

Et særligt spændende aspekt af det nye papir var, at siliciumcarbid halvlederdefekter har en naturlig affinitet for at flytte information mellem lys og spin (en magnetisk egenskab af elektroner). "En ukendt nøgle har altid været, om vi kunne finde en måde at konvertere deres kvantetilstande til lys, "sagde David Christle, en postdoktor ved University of Chicago og hovedforfatter af værket. "Vi vidste, at der skulle eksistere en grænseflade for lysstof, men vi kunne have været uheldige og fundet det i sig selv uegnet til at generere sammenfiltring. Vi var meget heldige, idet de optiske overgange og processen, der konverterer spin til lys, er af meget høj kvalitet. "

Defekten er et manglende atom, der får atomerne i nærheden i materialet til at omarrangere deres elektroner. Det manglende atom, eller selve defekten, skaber en elektronisk tilstand, som forskere styrer med en afstembar infrarød laser.

"Hvilken kvalitet betyder dybest set:Hvor mange fotoner kan du få, før du har ødelagt spin -kvantetilstanden?" sagde Abram Falk, en forsker ved IBM Thomas J. Watson Resarch Center i Yorktown Heights, N.Y., der kender værket, men ikke en medforfatter på papiret.

UChicago -forskerne fandt ud af, at de potentielt kunne generere op til 10, 000 fotoner, eller pakker med lys, før de ødelagde spin -tilstanden. "Det ville være en verdensrekord med hensyn til, hvad du kunne gøre med en af ​​disse typer defekttilstande, "Tilføjede Falk.

Awschaloms team var i stand til at vende kvantetilstanden for information fra enkelt elektron -spins i kommercielle wafere af siliciumcarbid til lys og læse det op med en effektivitet på cirka 95 procent.

Millisekunds sammenhæng

Varigheden af ​​den spin -tilstand - kaldet sammenhæng - som Awschaloms team opnåede var et millisekund. Ikke meget efter urstandarder, men ret meget inden for kvantetilstande, hvor flere beregninger kan udføres på et nanosekund, eller en milliarddel af et sekund.

Bedriften åbner nye muligheder for siliciumcarbid, fordi dens nanoskala -defekter er en førende platform for nye teknologier, der søger at bruge kvantemekaniske egenskaber til kvanteinformationsbehandling, registrering af magnetiske og elektriske felter og temperatur med nanoskalaopløsning, og sikker kommunikation ved hjælp af lys.

"Der er omkring en milliard dollar industri af kraftelektronik bygget på siliciumcarbid, "Falk sagde." Efter dette arbejde, der er en mulighed for at bygge en platform for kvantekommunikation, der udnytter disse meget avancerede klassiske enheder i halvlederindustrien, " han sagde.

De fleste forskere, der studerer defekter til kvanteapplikationer, har fokuseret på en atomfejl i diamant, som er blevet et populært synligt lys testbed for disse teknologier.

"Diamant har været denne enorme industri med kvantekontrolarbejde, "Falk bemærkede. Snesevis af forskningsgrupper i hele landet har brugt mere end et årti på at perfektionere materialet for at opnå standarder, som Awschaloms gruppe har mestret inden for siliciumcarbid efter kun et par års undersøgelse.

Alsidighed i siliciumcarbid

"Der er mange forskellige former for siliciumcarbid, og nogle af dem er almindeligt anvendte i dag inden for elektronik og optoelektronik, "Awschalom sagde." Kvantetilstande er til stede i alle former for siliciumcarbid, som vi har undersøgt. Dette lover godt for at indføre kvantemekaniske effekter i både elektroniske og optiske teknologier. "

Forskere begynder nu at spekulere på, om denne type fysik også kan fungere i andre materialer, Falk bemærkede.

"I øvrigt, kan vi rationelt designe en defekt, der har de egenskaber, vi ønsker, ikke bare snuble i en? "spurgte han.

Defekter er nøglen.

"I årtier har elektronikindustrien fundet på et utal af tricks til at fjerne alle fejl fra deres enheder, fordi fejl ofte forårsager problemer i konventionel elektronik, "Awschalom forklaret." Ironisk nok, vi sætter defekterne tilbage for kvantesystemer. "