Syntetiska diamanter leder Princeton Team till kvantkryptering genombrott

Att lagra kvantbitar med information eller qubits är mycket svårare än att lagra vanliga binära siffror. Det är inte bara sådana eller nollor, men hela spektrumet av subtila quantum superpositioner mellan dem. Elektroner kan enkelt glida ut ur de staterna om de inte lagras i rätt material. Därför arbetar elingenjörer i Princeton med en brittisk tillverkare för att skapa ett bättre lagringsmaterial - syntetiska diamanter - från början. De publicerade ett redogör för deras framgång på torsdagen i Vetenskap.

Under årtionden har fysiker, materialingenjörer och andra försökt uppnå det konceptuella löfte om kvantkrypterad kommunikation, eftersom data som överförts i den processen är teoretiskt immun mot hemlig övervakning. Varje försök att observera uppgifterna mellan parterna - enligt Heisenberg Uncertainty Principle - skulle väsentligt ändra den informationen, vilket snabbt avslöjade att det hade äventyras. Problemet har lagrat och bevarat qubits och sedan omvandlat dem till fiberoptiska fotoner, och användandet av diamanter verkar vara vägen mot att uppnå båda. Men inte bara någon diamant kommer att göra, varför Princeton team har varit hårt på jobbet och skapar en syntetisk, som de beskriver i sina papper.

"Egenskaperna som vi riktar in är vad som är relevanta för kvantnätverk, säger elingenjör Nathalie de Leon Omvänd. I Princeton, där de Leon är en biträdande professor, är hennes lag fokus huvudsakligen på att uppföra kvanthårdvara. "Det är applikationer där du vill ha något som har en lång lagringstid, och då har du också ett bra gränssnitt med fotoner så att du kan skicka ljus över mycket långa avstånd."

Photonic interaktioner spelar mycket för höghastighetsintern kommunikation eftersom all information som reser längs fiberoptiska kablar rör sig genom vår globala infrastruktur som diskreta foton - kryssar på 69 procent av ljusets hastighet. (Trevlig.)

"Det lägger mycket begränsningar på de optiska egenskaperna, säger de Leon. "Som ett exempel är det verkligen viktigt att färgen är stabil. Om fotonens färg hoppar över tiden, då är det verkligen dåligt för dessa protokoll."

Just nu försöker de Leons grupp att skapa en version av dessa syntetiska diamanter som kan konvertera till standard 1,550 nanometer våglängd, på vilken fotoner nu korsar fiberoptiska kablar. För närvarande stöder hennes lags syntetiska diamanter 946-nanometer fotonvåglängder. (Foton "färg" är lite av en eufemism här eftersom båda dessa våglängder är nyanser av infraröd utanför det synliga spektret.)

Den hinder som hennes team lyckades bara korsa lagrar de qubits i kristallina quantum repeaters, som liknar de repeaters som för närvarande används för att förhindra signalförlust och nedbrytning i dagens fiberoptiska kommunikation. Det kritiska steget i denna process var att producera syntetiska diamanter med så lite oönskade föroreningar som möjligt (kväve, främst) och mer av de orenheter de egentligen önskade (kisel och bor).

"Kväve visar sig vara den övervägande defekten som du får i dessa diamanter", säger Leon. Hennes grupp partners på den brittiska diamantmakaren Element Six måste skapa över genomsnittliga vakuumförhållanden, eftersom även vanliga dammsugare kan lämna tillräckligt med kväve i kammaren för att förorena de konstgjorda kristallerna. Eftersom kväve har en mer fri elektron än kol, stör kväveföroreningar den unika elektriska smink som forskarna hoppas på.

Andra små defekter kan också underminera dessa diamants qubit-lagringspotential. Målet är att ha par av storleksannonser i kristallramverket tillsammans med en substituerad kiselatom där ett enda kol brukade vara, men ibland kan paren samlas i "lediga kluster" som börjar omfördela sina elektroner i irriterande, kontraproduktiva sätt. Ibland kan polering och etsning av skador på diamantens yta också medföra en dominoeffekt, som också stämmer med detta mönster av elektroner. Det här är där bor-tillförsel, som har en mindre fri elektron än kol, kan hjälpa till.

"Vad vi måste göra," säger de Leon, "börjar båda med denna ultrahöga renhetsdiamant och växer sedan i något bor för att i grunden suga upp några av de extra elektronerna som vi inte kunde kontrollera. Sedan var det mycket materialbehandling - tråkiga saker som termisk glödgning och reparation av ytan i slutet för att se till att vi fortfarande slipper av många av dessa andra typer av defekter som ger dig extra kostnader."

Mastering av båda dessa utmaningar, många i fältet misstänkt, är nycklarna till fullt fungerande och nästan omöjligt att spricka kvantkryptering.

Före början av syntetiska diamanter för några år sedan, hade forskare inom kvanteoptik att förlita sig på naturliga diamanter för att göra sitt arbete - i synnerhet en speciell diamant.

Enligt de Leon måste alla på kvanteoptikområdet förlita sig på en enda naturligt gjord diamant från Ryssland som just råkat ha rätt andel bor, kväve och andra föroreningar för att göra sin forskning möjlig. Fragment av diamanten klyvdes och distribuerades till forskargrupper över hela världen.

"Många av grupperna hade sin egen lilla bit av den" magiska "ryska diamanten", som de Leon berättade för Princetons egen nyhetstjänst år 2016. "På Harvard kallade vi vår" Magic Alice "och" Magic Bob "."

Så, TL; DR, västerländska forskare blir bättre på att tillverka sina egna magiska quantum computing diamanter i stället för beroende på slivers av Rysslands magiska quantum computing diamant. Detta är en faktisk mening som låter löjligt. Classic 2018.