Syntetyczne diamenty Poprowadź Princeton Team do Quantum Encryption Breakthrough

Przechowywanie kwantowych bitów informacji lub kubitów jest dużo trudniejsze niż przechowywanie zwykłych cyfr binarnych. To nie są tylko zera czy zera, ale cała gama subtelnych superpozycji kwantowych między nimi. Elektrony mogą łatwo wysuwać się z tych stanów, jeśli nie są przechowywane w odpowiednich materiałach, dlatego inżynierowie elektryczni z Princeton współpracują z brytyjskim producentem w celu stworzenia lepszego materiału do przechowywania - syntetycznych diamentów - od podstaw. Opublikowali sprawozdanie z ich sukcesu w czwartek Nauka.

Przez dziesięciolecia fizycy, inżynierowie materiałowi i inni próbowali osiągnąć koncepcyjną obietnicę komunikacji zaszyfrowanej kwantowo, ponieważ dane przekazywane w tym procesie są teoretycznie odporne na ukryty nadzór. Każda próba zaobserwowania, że ​​dane między stronami - a la Zasada niepewności Heisenberga - zasadniczo zmieniłaby tę informację, szybko ujawniając, że została naruszona. Problem polegał na przechowywaniu i zachowywaniu kubitów, a następnie przekształceniu ich w gotowe fotony światłowodowe i użyciu diamentów wydaje się być drogą do osiągnięcia obu. Ale nie zrobi tego żaden diament, dlatego zespół Princeton ciężko pracuje nad stworzeniem syntetycznego, jak opisują w swoim artykule.

„Właściwości, na które celujemy, są istotne dla sieci kwantowych” - mówi inżynier elektryk Nathalie de Leon Odwrotność. W Princeton, gdzie de Leon jest adiunktem, jej zespół koncentruje się na wymyślaniu sprzętu kwantowego. „Są to aplikacje, w których potrzebujesz czegoś, co ma długi czas przechowywania, a następnie ma dobry interfejs z fotonami, dzięki czemu możesz wysyłać światło na bardzo duże odległości”.

Interakcje fotoniczne mają duże znaczenie dla szybkiej komunikacji międzynarodowej, ponieważ wszystkie informacje przesyłane przewodami światłowodowymi przemieszczają się przez naszą globalną infrastrukturę jako oddzielne fotony - z prędkością 69% prędkości światła. (Ładny.)

„To nakłada wiele ograniczeń na właściwości optyczne”, mówi de Leon. „Jako jeden z przykładów naprawdę ważne jest, aby kolor był stabilny. Jeśli kolor fotonu przeskakuje w czasie, to jest naprawdę źle dla tych protokołów. ”

Obecnie grupa de Leona próbuje stworzyć wersję tych syntetycznych diamentów, które mogą przekształcić się w standardową długość fali 1,550 nanometrów, po której fotony przechodzą teraz przez kable światłowodowe. Obecnie syntetyczne diamenty jej zespołu obsługują długości fali fotonów 946 nanometrów. (Foton „kolor” jest tu trochę eufemizmem, ponieważ obie te długości fali są odcieniami podczerwieni poza widmem widzialnym.)

Przeszkoda, jaką jej zespół udało się przekroczyć, to przechowywanie kubitów w krystalicznych wzmacniaczach kwantowych, podobnie jak wzmacniacze, które są obecnie używane do zapobiegania utracie sygnału i degradacji w dzisiejszej komunikacji światłowodowej. Krytycznym krokiem w tym procesie było wytwarzanie syntetycznych diamentów z możliwie najmniejszą ilością niepożądanych zanieczyszczeń (głównie azot) i więcej zanieczyszczeń, których faktycznie potrzebowali (krzem i bor).

„Azot okazuje się dominującym defektem, jaki pojawia się w tych diamentach”, mówi de Leon. Partnerzy jej grupy w brytyjskim wytwórcy diamentów Element Six musieli stworzyć ponadprzeciętne warunki próżniowe, ponieważ nawet zwykłe odkurzacze mogą pozostawić w komorze wystarczającą ilość azotu, aby zanieczyścić sztucznie wykonane kryształy. Ponieważ azot ma jeszcze jeden wolny elektron niż węgiel, zanieczyszczenia azotowe zakłócają unikalny makijaż elektryczny, na który liczą naukowcy.

Inne drobne defekty mogą również osłabić potencjał magazynowania tych diamentów.Celem jest posiadanie par wolnych miejsc w rozmiarze atomów w strukturze kryształu wraz z podstawionym atomem krzemu, w którym kiedyś był pojedynczy węgiel, ale czasami pary te mogą zbierać się w „klastry pustostanów”, które zaczynają rozdrabniać swoje elektrony w irytujący sposób, sposób przeciwny do zamierzonego. Czasami uszkodzenia polerowania i wytrawiania na powierzchni diamentu mogą również powodować efekt domina, zakłócając również ten wzór elektronów. W tym przypadku dodawanie boru - który ma o jeden mniej wolnego elektronu niż węgiel - może pomóc.

„To, co musieliśmy zrobić”, mówi de Leon, „zaczyna się od tego diamentu o bardzo wysokiej czystości, a następnie rośnie w jakimś borze, aby w zasadzie pochłonąć dowolny dodatkowy elektron, którego nie mogliśmy kontrolować. Potem było dużo obróbki materiałów - nudne rzeczy, takie jak wyżarzanie termiczne i naprawa powierzchni na końcu, aby upewnić się, że nadal pozbywamy się wielu innych rodzajów wad, które powodują dodatkowe obciążenia. ”

Opanowanie obu tych wyzwań, wielu podejrzanych w terenie, jest kluczem do pełnej funkcjonalności i prawie niemożliwym do złamania szyfrowania kwantowego.

Przed pojawieniem się syntetycznych diamentów zaledwie kilka lat temu naukowcy zajmujący się optyką kwantową musieli polegać na naturalnych diamentach, aby wykonać swoją pracę - w szczególności jeden konkretny diament.

Według de Leona wszyscy w dziedzinie optyki kwantowej musieli polegać na pojedynczym, naturalnie wytwarzanym diamentie z Rosji, który akurat miał odpowiedni procent boru, azotu i innych zanieczyszczeń, aby umożliwić ich badania. Fragmenty diamentu zostały odcięte i rozprowadzone wśród grup badawczych na całym świecie.

„Wiele grup miało swój własny kawałek„ magicznego ”rosyjskiego diamentu”, jak powiedział de Leon w wewnętrznym serwisie informacyjnym Princeton w 2016 r. „Na Harvardzie nazwaliśmy nas„ Magic Alice ”i„ Magic Bob ”.

Tak więc, TL; DR, zachodni naukowcy są coraz lepsi w wytwarzaniu własnych magicznych diamentów obliczeniowych kwantowych, zamiast polegać na kawałkach magicznego diamentu obliczeniowego kwantowego w Rosji. To faktyczne zdanie, które brzmi śmiesznie. Klasyczny 2018.