Implantering af diamanter med fejl tilbyder nøgleteknologi til kvantekommunikation

Diamanter er værdsat for deres renhed, men deres mangler kan være nøglen til en ny type meget sikker kommunikation.

Princeton University-forskere bruger diamanter til at hjælpe med at skabe et kommunikationsnetværk, der er afhængigt af en egenskab ved subatomære partikler kendt som deres kvantetilstand. Forskere mener, at sådanne kvanteinformationsnetværk ville være ekstremt sikre og også kunne tillade nye kvantecomputere at arbejde sammen for at løse problemer, der i øjeblikket er uløselige. Men forskere, der i øjeblikket designer disse netværk, står over for flere udfordringer, herunder hvordan man bevarer skrøbelig kvanteinformation over lange afstande.

Nu, forskere er nået frem til en mulig løsning ved hjælp af syntetiske diamanter.

I en artikel offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Videnskab , forskerne beskriver, hvordan de var i stand til at lagre og transmittere bits af kvanteinformation, kendt som qubits, ved hjælp af en diamant, hvor de havde erstattet to carbonatomer med et siliciumatom.

I standardkommunikationsnetværk, enheder kaldet repeatere gemmer og gensender kortvarigt signaler for at give dem mulighed for at rejse længere afstande. Nathalie de Leon, en assisterende professor i elektroteknik ved Princeton University og den ledende forsker, sagde, at diamanterne kunne tjene som kvanterepeatere for netværk baseret på qubits.

Ideen om en kvanterepeater har eksisteret i lang tid, "men ingen vidste, hvordan man byggede dem, " sagde de Leon. "Vi prøvede at finde noget, der ville fungere som hovedkomponenten i en kvanterepeater."

Den vigtigste udfordring i at skabe kvanterepeatere har været at finde et materiale, der både kunne lagre og transmittere qubits. Indtil nu, den bedste måde at transmittere qubits på er at kode dem i lyspartikler, kaldet fotoner. Optiske fibre, der i øjeblikket bruges på tværs af store dele af netværket, transmitterer allerede information via fotoner. Imidlertid, qubits i en optisk fiber kan kun rejse korte afstande, før deres specielle kvanteegenskaber går tabt, og informationen er forvrænget. Det er svært at fange og gemme en foton, som per definition bevæger sig med lysets hastighed.

I stedet, forskere har kigget på faste stoffer såsom krystaller for at give lageret. I en krystal, såsom en diamant, qubits kunne teoretisk overføres fra fotoner til elektroner, som er nemmere at opbevare. Det vigtigste sted at udføre en sådan overførsel ville være fejl i diamanten, steder, hvor andre elementer end kulstof er fanget i diamantens kulstofgitter. Juvelerer har i århundreder vidst, at urenheder i diamanter producerer forskellige farver. Til de Leons hold, disse farvecentre, som urenhederne kaldes, repræsenterer en mulighed for at manipulere lys og skabe en kvanterepeater.

Tidligere forskere forsøgte først at bruge defekter kaldet nitrogen ledige pladser - hvor et nitrogenatom træder i stedet for et af kulstofatomerne - men fandt ud af, at selvom disse defekter lagrer information, de har ikke de korrekte optiske egenskaber. Andre besluttede derefter at se på ledige stillinger i silicium - substitution af et kulstofatom med et siliciumatom. Men ledige stillinger i silicium, mens de kunne overføre informationen til fotoner, manglede lange sammenhængstider.

"Vi spurgte, 'Hvad ved vi om, hvad der forårsager begrænsningerne af disse to farvecentre?', " sagde de Leon. "Kan vi bare designe noget andet fra bunden, noget, der løser alle disse problemer?"

Det Princeton-ledede hold og deres samarbejdspartnere besluttede at eksperimentere med den elektriske ladning af defekten. Silicium ledige stillinger bør i teorien være elektrisk neutrale, men det viser sig, at andre nærliggende urenheder kan bidrage med elektriske ladninger til defekten. Holdet mente, at der kunne være en sammenhæng mellem ladningstilstanden og evnen til at holde elektronspin i den rigtige retning for at gemme qubits.

Forskerne samarbejdede med Element Six, en industriel diamantfremstillingsvirksomhed, at konstruere elektrisk neutrale silicium ledige stillinger. Grundstof seks startede med at nedlægge lag af kulstofatomer for at danne krystallen. Under processen, de tilføjede boratomer, som har den virkning at fortrænge andre urenheder, der kunne ødelægge den neutrale ladning.

"Vi er nødt til at lave denne delikate kompensation mellem ting, der kan tilføje afgifter eller tage afgifter væk, " sagde de Leon. "Vi kontrollerer fordelingen af ​​ladningen fra baggrundsfejlene i diamanterne, og det giver os mulighed for at kontrollere ladetilstanden for de defekter, som vi bekymrer os om."

Næste, forskerne implanterede siliciumioner i diamanten, og derefter opvarmede diamanterne til høje temperaturer for at fjerne andre urenheder, der også kunne donere ladninger. Gennem flere gentagelser af materialeteknik, plus analyser udført i samarbejde med forskere ved Gemological Institute of America, holdet producerede neutrale ledige stillinger i silicium i diamanter.

Den neutrale siliciumtomgang er god til både at transmittere kvanteinformation ved hjælp af fotoner og lagring af kvanteinformation ved hjælp af elektroner, som er nøgleingredienser i at skabe den væsentlige kvanteegenskab kendt som sammenfiltring, som beskriver, hvordan par af partikler forbliver korrelerede, selvom de bliver adskilt. Sammenfiltring er nøglen til kvanteinformationens sikkerhed:modtagere kan sammenligne målinger af deres sammenfiltrede par for at se, om en aflytter har ødelagt en af ​​beskederne.

Det næste trin i forskningen er at bygge en grænseflade mellem den neutrale silicium-tomgang og de fotoniske kredsløb for at bringe fotonerne fra netværket ind og ud af farvecentret.

Ania Bleszynski Jayich, en fysikprofessor ved University of California, Santa Barbara, sagde, at forskerne med succes havde mødt en langvarig udfordring med at finde en diamantfejl med egenskaber, der var gunstige for at arbejde med kvanteegenskaber for både fotoner og elektroner.

"Succesen med forfatternes materialetekniske tilgang til at identificere lovende solid-state defekt-baserede kvanteplatforme fremhæver alsidigheden af ​​solid-state defekter og vil sandsynligvis inspirere til en mere omfattende og omfattende søgning på tværs af et større tværsnit af materiale og mangelfulde kandidater, " sagde Jayich, som ikke var involveret i undersøgelsen.

Princeton-holdet inkluderede Brendon Rose, en postdoc forskningsassistent, og kandidatstuderende Ding Huang og Zi-Huai Zhang, som er medlemmer af de Leons laboratorium. De Leon-teamet inkluderede også postdoktorale forskningsmedarbejdere Paul Stevenson, Sorawis Sangtawesin, og Srikanth Srinivasan, en tidligere postdoc nu ved IBM. Yderligere bidrag kom fra personaleforsker Alexei Tyryshkin og professor i elektroteknik Stephen Lyon. Holdet samarbejdede med Lorne Loudin ved Gemological Institute of America og Matthew Markham, Andrew Edmonds og Daniel Twitchen på Element Six.