Synthetische Diamanten führen das Princeton-Team zum Durchbruch bei der Quantum-Verschlüsselung

Das Speichern von Quantenbits von Informationen oder Qubits ist viel schwieriger als das Speichern normaler Binärziffern. Es sind nicht einfach Einsen oder Nullen, sondern der gesamte Bereich der subtilen Quanten-Superpositionen zwischen ihnen. Elektronen können leicht aus diesen Zuständen herausgleiten, wenn sie nicht in den richtigen Materialien gespeichert werden. Aus diesem Grund arbeiten die Elektrotechniker von Princeton mit einem britischen Hersteller zusammen, um ein besseres Speichermaterial - synthetische Diamanten - zu schaffen. Sie haben am Donnerstag einen Bericht über ihren Erfolg veröffentlicht Wissenschaft.

Seit Jahrzehnten versuchen Physiker, Materialingenieure und andere, das konzeptionelle Versprechen der quantenverschlüsselten Kommunikation zu erreichen, da die dabei übertragenen Daten theoretisch gegen verdeckte Überwachung immun sind. Jeder Versuch, diese Daten zwischen den Parteien - wie das Heisenberg-Unschärferprinzip - zu beobachten, würde diese Informationen grundlegend ändern und schnell erkennen, dass sie kompromittiert waren. Das Problem bestand darin, Qubits zu speichern und zu erhalten und dann in faseroptische Photonen umzuwandeln. Die Verwendung von Diamanten scheint der Weg zu sein, um beides zu erreichen. Aber nicht jeder Diamant ist dafür geeignet, weshalb das Team von Princeton hart daran gearbeitet hat, einen synthetischen Diamanten zu entwickeln, wie sie in ihrer Arbeit beschreiben.

"Die Eigenschaften, auf die wir abzielen, sind für Quantennetzwerke relevant", erklärt die Elektroingenieurin Nathalie de Leon Inverse. In Princeton, wo de Leon Assistenzprofessor ist, konzentriert sich ihr Team hauptsächlich auf die Entwicklung von Quantenhardware. "Es sind Anwendungen, bei denen Sie etwas wünschen, das eine lange Speicherzeit hat, und dann eine gute Schnittstelle mit Photonen haben, so dass Sie Licht über sehr große Entfernungen senden können."

Photonische Wechselwirkungen sind für die internationale Hochgeschwindigkeitskommunikation von großer Bedeutung, da alle Informationen, die über Glasfaserkabel übertragen werden, als diskrete Photonen durch unsere globale Infrastruktur laufen - mit 69 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. (Nett.)

"Dies führt zu einer Reihe von Einschränkungen für die optischen Eigenschaften", sagt de Leon. „Als ein Beispiel ist es wirklich wichtig, dass die Farbe stabil ist. Wenn die Farbe des Photons im Laufe der Zeit herum springt, ist das für diese Protokolle wirklich schlecht."

Im Moment versucht die Gruppe von Leon eine Version dieser synthetischen Diamanten herzustellen, die eine Wellenlänge von 1.550 Nanometern erreichen kann, bei der Photonen nun Glasfaserkabel durchqueren. Derzeit unterstützen die synthetischen Diamanten ihres Teams 946-Nanometer-Photonenwellenlängen. (Photon "Farbe" ist hier ein bisschen Euphemismus, da diese beiden Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Spektrums Infrarotschattierungen sind.)

Die Hürde, mit der ihr Team gerade gekreuzt hat, besteht darin, diese Qubits in kristallinen Quanten-Repeatern zu speichern, ähnlich den Repeatern, die derzeit zur Verhinderung von Signalverlust und -abbau in der heutigen Glasfaser-Kommunikation verwendet werden. Der entscheidende Schritt in diesem Prozess war die Herstellung von synthetischen Diamanten mit möglichst wenigen unerwünschten Verunreinigungen (hauptsächlich Stickstoff) und mehr Verunreinigungen, die sie eigentlich wollten (Silizium und Bor).

"Stickstoff stellt sich als der vorherrschende Defekt heraus, den Sie bei diesen Diamanten bekommen", sagt de Leon. Die Partner ihrer Gruppe beim britischen Diamantenhersteller Element Six mussten überdurchschnittliche Unterdruckbedingungen schaffen, da selbst normale Staubsauger genügend Stickstoff in der Kammer hinterlassen können, um die künstlich hergestellten Kristalle zu verunreinigen. Da Stickstoff mehr Elektronen enthält als Kohlenstoff, stören Stickstoffverunreinigungen die einzigartige elektrische Ausstattung, auf die sich die Forscher hoffen.

Auch andere kleine Defekte können das Qubit-Speicherpotential dieser Diamanten beeinträchtigen.Das Ziel ist, Paare von atomgroßen Leerstellen im Kristallgerüst neben einem substituierten Siliziumatom zu haben, wo früher ein einziger Kohlenstoff war. Manchmal können sich diese Paare jedoch in „Leerstellen-Clustern“ zusammenschließen, die ihre Elektronen in störende Umverteilung bringen. kontraproduktive Wege. Manchmal kann ein Polier- und Ätzschaden auf der Oberfläche des Diamanten auch einen Dominoeffekt verursachen, der auch mit diesem Elektronenmuster verwirrt. Hier kann das Hinzufügen von Bor helfen, das ein geringeres Elektron als Kohlenstoff hat.

„Was wir tun mussten“, sagt de Leon, „fangen beide mit diesem ultrahochreinen Diamant an und wachsen dann in etwas Bor auf, um im Grunde alle zusätzlichen Elektronen aufzusaugen, die wir nicht kontrollieren konnten. Dann gab es eine Menge Materialbearbeitung - langweiliges Material wie thermisches Glühen und die Reparatur der Oberfläche am Ende, um sicherzustellen, dass viele dieser anderen Defekte, die zusätzliche Kosten verursachen, noch beseitigt werden. “

Beide Herausforderungen zu meistern, ist der Schlüssel zu einer voll funktionsfähigen und nahezu unmöglich zu betrachtenden Quantenverschlüsselung.

Vor dem Aufbruch synthetischer Diamanten vor wenigen Jahren mussten sich Forscher auf dem Gebiet der Quantenoptik bei ihrer Arbeit auf natürliche Diamanten verlassen - insbesondere auf einen bestimmten Diamanten.

Laut de Leon musste sich jeder auf dem Gebiet der Quantenoptik auf einen einzigen natürlichen Diamant aus Russland verlassen, der zufällig den richtigen Anteil an Bor, Stickstoff und anderen Verunreinigungen hatte, um seine Forschung zu ermöglichen. Fragmente des Diamanten wurden abgespalten und an Forschungsgruppen auf der ganzen Welt verteilt.

"Viele der Gruppen hatten ihr eigenes Stück des" magischen russischen Diamanten ", wie de Leon im Jahr 2016 dem internen Nachrichtendienst von Princeton gegenüberstellte." In Harvard nannten wir unsere "Magic Alice" und "Magic Bob."

Also, TL und DR, westliche Wissenschaftler werden immer besser, wenn sie ihre eigenen magischen Quantencomputerdiamanten herstellen, anstatt sich auf Splitter des russischen magischen Quantencomputerdiamanten zu verlassen. Dies ist ein sachlicher Satz, der sich lächerlich anhört. Klassiker 2018.