Kusurlu elmas: Kuantum iletişim ağı için anahtar teknoloji sağlayın!
Kılavuz
Son zamanlarda, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Princeton Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, yeni bir kuantum iletişim ağının önemli bir bileşenini yapmak için sentetik elmas kullandılar: kuantum tekrarlayıcılar.
arka fon
Aşırı saflığıyla tanınan elmaslar, aşkı ve sadakati sembolize eder.
Ancak elmaslar mükemmel değildir. Kusurlar elmasın saflığını etkilese de, kusurlar kübitlerin üretimi ve oldukça güvenli kuantum iletişim yöntemleri için çok kritik bir değere sahiptir. Örneğin, bir elmas kristalindeki karbon atomları başka elementlerin atomlarıyla değiştirilirse, kafes kusurlarına neden olur.
Bununla birlikte, kusurlar ve kübitler arasındaki bağlantı nedir?
Bunu şu şekilde düşünebiliriz: Elmas örgüsünde belirli bir konumda olması gereken karbon atomu kaybolur ve bir "boşluk" bırakır. Karbon atomlarının yerini alan diğer elementlerin atomları, nitrojen boşluk merkezleri ve silikon boşluk merkezleri gibi belirli elementlerin boşluk merkezlerini oluşturmak için bitişik kafes noktalarında bulunan "boşluklar" ile birleşir. Bu boşlukların merkezleriyle ilişkili serbest elektronların "dönüşleri", kübit oluşturmak için süperpozisyon durumları oluşturabilir.
Azot Boşluk Merkezi
(Resim kaynağı: referans [2])
Silikon Boşluk Merkezi
(Resim kaynağı: referans [3])
Kuantum bilgisayarların tasarımında her zaman bir sorun olmuştur: kübitlerden bilgi nasıl okunur? Ancak pırlantadaki kusurlar, doğal ışıklı gövdeler olduğu için basit bir çözüm sağlar. Aslında, elmas kusurlarından kaynaklanan fotonlar, kuantumun üst üste binme durumunu koruyabilir, böylece farklı kuantum cihazları arasında bilgi aktarabilirler.
Yenilikçilik
Son zamanlarda, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Princeton Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, yeni bir tür kuantum iletişim ağı oluşturmak için elmas kullanmayı düşündüler. Bu kuantum iletişim ağı, kuantum durumu olarak da bilinen atom altı parçacıkların bir özelliğine dayanır. Araştırmacılar, bu tür bir kuantum bilgi ağının son derece güvenli olduğuna ve aynı zamanda birden fazla kuantum bilgisayarın mevcut teknolojiyle çözülemeyen sorunları çözmek için birlikte çalışmasına izin verdiğine inanıyor.
(Resim kaynağı: Frank Wojciechowski)
Şu anda, bilim adamları bu ağları tasarlarken, uzun mesafelerde kırılgan kuantum bilgilerinin nasıl korunacağı da dahil olmak üzere bazı zorluklarla karşı karşıya. Bununla birlikte, araştırmacılar olası çözümleri elde etmek için sentetik elmaslar (insan yapımı elmaslar) kullanmayı düşündüler.
Science dergisinde bu hafta yayınlanan bir makalede araştırmacılar, temel birim olan kuantum bilgisini depolamak ve iletmek için elmas kullandıklarını açıkladılar: kübit. Bu elmas türünde iki karbon atomunu bir silikon atomuyla değiştirdiler.
teknoloji
Standart bir iletişim ağında, "tekrarlayıcı" olarak adlandırılan bir cihaz, bir sinyali geçici olarak depolayabilir ve daha büyük bir mesafeye iletilebilmesi için yeniden iletebilir. Princeton Üniversitesi Elektronik Mühendisliği Bölümü'nde yardımcı doçent ve baş araştırmacı olan Nathalie de Leon, elmasların kübit tabanlı ağlar için kuantum tekrarlayıcı olarak kullanılabileceğini söyledi.
Kuantum tekrarlayıcılar fikrinin uzun bir geçmişi var. de Leon şunları söyledi: "Ancak kimse onları nasıl inşa edeceğini bilmiyor. Geçmişte kuantum tekrarlayıcıların ana bileşenleri olabilecek şeyler bulmaya çalışıyorduk."
Kuantum yineleyiciler üretmedeki en önemli zorluk, kübitleri depolayabilen ve iletebilen bir malzeme bulmaktır. Şimdiye kadar, kübitleri iletmenin en iyi yolu, onları fotonlar biçiminde kodlamaktır. Çoğu ağda kullanılan optik fiber, bilgiyi fotonlar aracılığıyla iletebilir. Ancak, optik fiberlerde bulunan kübitler, özel kuantum özellikleri kaybolmadan ve bilgi bozulmadan önce yalnızca kısa mesafelerde iletilebilir. Tanımı gereği fotonlar ışık hızında hareket ederler, bu nedenle fotonları yakalamak ve depolamak çok zordur.
Araştırmacılar, depolama işlevleri sağlamak için kristaller gibi katıları kullanmaya odaklanan farklı bir yaklaşım benimsemişlerdir. Elmas gibi kristallerde kuramsal olarak kübit, fotonlardan elektronlara dönüştürülerek depolanmalarını kolaylaştırır. Bu dönüşümün anahtarı elmastaki kusurlarda yatar Bu pozisyonlarda karbon dışındaki elementlerin atomları karbon kafesinde hapsolur. Yüzlerce yıl önce kuyumcular, pırlantadaki kusurların farklı renkler yaratabileceğini biliyorlardı. De Leon'un ekibi için, kusurlar olarak da bilinen bu renk merkezleri, ışığı manipüle etmek ve kuantum tekrarlayıcılar oluşturmak için yeni fırsatları temsil ediyor.
(Resim kaynağı: Nathalie de Leon Laboratuvarı)
Daha önce, araştırmacılar ilk olarak "nitrojen boşluk" kusurlarını kullanmaya çalıştılar, ancak bu kusurların bilgiyi saklamasına rağmen doğru optik özelliklere sahip olmadıklarını buldular. Daha sonra, diğer araştırmacılar "silikon boşlukları" incelemeye karar verdiler, ancak silikon boşlukları bilgiyi fotonlara dönüştürürken uzun bir tutarlılık süresine sahip değiller.
de Leon, "İki renk merkezinin sınırlarının nedenlerini ne kadar biliyoruz?" diye sorduk. Tüm bu sorunları çözmek için sıfırdan başka bir çözüm tasarlayabilir miyiz? "Princeton Üniversitesi liderliğindeki ekip ve Ortakları kusurun masrafını denemeye karar verdiler. Teorik olarak, silikon boşluklar elektriksel olarak nötr olmalıdır, ancak sonuç, yakınlardaki diğer kusurların kusurlara yük getirmesidir. Ekip, şarj durumu ile elektronların kübitleri depolamak için doğru yönde dönmesini sağlama yeteneği arasında bir bağlantı olabileceğine inanıyor.
Araştırmacılar, dünyanın önde gelen sentetik endüstriyel elmas tedarikçisi Element Six ile elektriksel olarak nötr bir silikon boşluğu yaratmak için işbirliği yaptı. Element Altı, kristalleri oluşturmak için ilk olarak karbon atomu katmanlarını kullandı. Bu süreçte, elektriksel nötrlüğe zarar verebilecek diğer kusurları ortadan kaldırabilecek özel bir etkiye sahip olan bor atomlarını eklediler.
de Leon şunları söyledi: "Yük eklemek veya şarjı azaltmak arasında, ince bir ücret telafisi tasarımı yapmalıyız. Elmaslardaki arka plan kusurlarının yük dağılımını kontrol ediyoruz, böylece ilgili kusurların şarj durumunu kontrol edebiliyoruz."
Daha sonra, araştırmacılar elmasa silikon iyonları yerleştirdiler ve daha sonra, yüke katkıda bulunan diğer kusurları gidermek için elması yüksek bir sıcaklığa ısıttılar. Amerika Gemological Institute of America'dan bilim adamları ile işbirliği içinde malzeme mühendisliği ve analizinin çeşitli yinelemeleri sayesinde ekip, elmaslarda nötr silikon boşlukları yarattı.
değer
Nötr silikon boşlukları, sadece kuantum bilgisini iletmek için fotonların kullanımına yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda kuantum bilgisini depolamak için elektronların kullanımına da elverişlidir.Gerekli kuantum özelliğini üreten, dolanmanın anahtar unsurudur. Dolaşıklık, bir çift parçacığın ayrıldıklarında bile ilişkili kalabileceği anlamına gelir. Karışıklık, kuantum bilgi güvenliğinin anahtarıdır: alıcı, bir gizli dinleyicinin bir bilgi parçasını yok edip etmediğini belirlemek için bir çift dolaşık parçacığın ölçümlerini karşılaştırabilir.
Bir sonraki adım, nötr silikon boşluğu ile fotonik devre arasındaki arayüzü oluşturmak ve fotonları ağdan renk merkezine veya dışına taşımaktır.
Santa Barbara'daki California Üniversitesi Fizik Bölümü'nde profesör olan Ania Bleszynski Jayich, araştırmacıların elektronların ve fotonların kuantum özelliklerinin kullanımını kolaylaştıran elmas kusurlarını bulma konusundaki uzun vadeli zorluğun üstesinden başarıyla geldiklerini söyledi. Jayich şunları söyledi: "Makalenin yazarları, gelecek vaat eden kusur tabanlı katı hal kuantum platformlarını belirlemek için malzeme mühendisliği çözümlerini başarıyla kullandı, katı hal kusurlarının çok yönlülüğünü vurguladı ve potansiyel olarak daha geniş kesitli malzemeler ve kusurlar için daha geniş bir aday malzeme yelpazesine ilham verdi. çalışma."
Anahtar kelime
Kuantum, silikon, elmas
Referans
[1] https://www.princeton.edu/news/2018/07/05/implanting-diamonds-flaws-provide-key-technology-quantum-communications
[2] https://www.nature.com/articles/ncomms3254
[3] https://www.nature.com/articles/ncomms15376
4 Brendon C. Rose, Ding Huang, Zi-Huai Zhang, Paul Stevenson, Alexei M. Tyryshkin, Sorawis Sangtawesin, Srikanth Srinivasan, Lorne Loudin, Matthew L. Markham, Andrew M. Edmonds, Daniel J. Twitchen, Stephen A Lyon, Nathalie P. de Leon. Elmasta çevreye duyarlı olmayan katı hal dönüş kusurunun gözlemlenmesi. Science, 2018; 361 (6397): 60 DOI: 10.1126 / science.aao0290
