Deimantų implantavimas su trūkumais yra pagrindinė kvantinių komunikacijų technologija

Sof-Lex™ Diamond Poliravimo Sistema. Demonstracinis Video (Liepa 2019).

Anonim

Deimantai yra vertinami dėl jų grynumo, tačiau jų trūkumai gali būti raktas į naujo tipo labai saugius ryšius.

Prinstono universiteto mokslininkai naudoja deimantus, kurie padeda sukurti ryšių tinklą, kuris remiasi subatominių dalelių, vadinamų jų kvantine būsena, nuosavybe. Tyrėjai mano, kad tokie kvantiniai informacijos tinklai būtų itin saugūs, taip pat galėtų leisti naujiems kvantiniams kompiuteriams kartu dirbti, kad būtų išspręstos problemos, kurios šiuo metu yra neišspręstos. Tačiau mokslininkai, šiuo metu kurdami šiuos tinklus, susiduria su keliomis problemomis, įskaitant tai, kaip išsaugoti silpną kiekybinę informaciją dideliais atstumais.

Dabar mokslininkai atvyksta į galimą sprendimą naudojant sintetinius deimantus.

Straipsnyje, paskelbtoje šią savaitę žurnale " Science", mokslininkai aprašo, kaip jie galėjo laikyti ir perduoti kvantinės informacijos bitus, žinomus kaip kubitai, naudojant deimantą, kuriame jie pakeitė du anglies atomus su vienu silicio atomu.

Standartiniais ryšių tinklais įrenginiai, vadinami retransliatoriais, trumpai saugo ir perduoda signalus, kad jie galėtų keliauti didesniais atstumais. Prinstono universiteto elektrotechnikos profesoriaus pavaduotoja Nathalie de Leon, vadovaujanti mokslininkė, teigė, kad deimantai gali būti naudojami kaip kubiniai pakartotinai naudojami tinklai.

Kvantinio kartotuvo idėja jau seniai egzistavo ", bet niekas nežinojo, kaip jas kurti", - sakė deonas. "Mes bandėme rasti kažką, kuris veiktų kaip pagrindinė kvantinio kartotuvo dalis".

Kvantinių kartotuvų sukūrimo pagrindinis uždavinys - surasti medžiagą, kuri galėtų saugoti ir perduoti kubitus. Kol kas geriausias būdas perkelti kubitus yra koduoti juos šviesos dalelėmis, vadinamos fotonais. Šiuo metu daugelyje tinklo naudojami optiniai skaidulai jau perduoda informaciją per fotonus. Tačiau optinio pluošto kubitai gali keliauti tik nedideliais atstumais, kol jų specialiosios kvantinės savybės prarandamos, o informacija yra įstrigusi. Sunku sugauti ir laikyti fotoną, kuris pagal apibrėžimą juda šviesos greičiu.

Vietoj to, mokslininkai ištyrė kietąsias medžiagas, tokias kaip kristalai, skirti saugoti. Teoriškai kristalai, tokie kaip deimantas, gali būti perkeliami iš fotonų į elektronus, kuriuos lengviau saugoti. Svarbiausia tokio perkėlimo vieta būtų deimantų trūkumai, vietose, kuriose deimanto anglies grotelėmis įstrigo kiti elementai, išskyrus anglies. Juvelieriai jau daugelį amžių žinojo, kad deimantų priemaišos gamina skirtingas spalvas. De Leono komandai šie spalvų centrai, vadinami priemaišomis, suteikia galimybę manipuliuoti šviesa ir sukurti kvantinį kartotyrą.

Ankstesni mokslininkai pirmą kartą bandė naudoti defektus, vadinamus azoto laisvėmis - kai azoto atomas užima vietą vienam iš anglies atomų, tačiau nustatė, kad nors šie defektai saugo informaciją, jie neturi teisingų optinių savybių. Tada kiti nusprendė pažvelgti į silikono laisvas vietas - anglies atomo pakeitimas silicio atomu. Tačiau silikono laisvos vietos, nors jie galėjo perduoti informaciją fotonams, trūko ilgo suderinamumo laiko.

"Mes klausėme:" Ką mes žinome apie tai, kas lemia šių dviejų spalvų centrų apribojimus? ", - sakė de Leon. "Ar galime ką nors iš naujo sukurti iš naujo, kažkas, kad būtų išspręstos visos šios problemos?"

Prinstono vadovaujama komanda ir jų bendradarbiai nusprendė eksperimentuoti su defekto elektros krūviu. Teoriškai silicio laisvos vietos turėtų būti neutralios elektra, tačiau paaiškėja, kad kitos netoliese esančios priemaišos gali sukelti elektros energijos nuostolius. Komanda mano, kad gali būti ryšys tarp įkrovos būsenos ir galimybės išlaikyti elektronų verpimo kryptis, kad būtų galima kaupti kibitus.

Mokslininkai, bendradarbiaudami su "Industrial Element", "Element Six", kuria elektrai neutralias silicio laisvas vietas, bendradarbiavo. Šeštas elementas prasidėjo, nustatant anglies atomų sluoksnius, kad susidarytų kristalas. Proceso metu jie pridėjo boro atomus, kurie išstumia kitas priemaišas, galinčias sugadinti neutralųjį krūvį.

"Mes turime padaryti šį subtilią šokį dėl mokesčio kompensavimo tarp dalykų, kurie gali papildyti mokesčius arba atšaukti mokesčius", - sakė deonas. "Mes kontroliuojame krūvio pasiskirstymą nuo deimantų foninių defektų, o tai leidžia mums valdyti defektų, dėl kurių mes rūpinamės, būseną".

Tada mokslininkai implantuoja silicio jonus į deimantą, o po to šildo deimantus iki aukštų temperatūrų, kad pašalintų kitas priemaišas, kurios taip pat galėtų duoti mokesčius. Per keletą kartotinių medžiagų inžinerijos, plius analizės, atliktos bendradarbiaujant su mokslininkų Gemological Institute of America, komanda gamino neutralias silicio laisvas deimantų.

Neutralus silicio vakuumas yra geras tiek perduodant kvantinę informaciją, naudojant fotonus, tiek kaupiant kvantinę informaciją naudojant elektronus, kurie yra pagrindinės sudedamosios dalys kuriant esminį kvantinį turtą, vadinamą užmigdymu, kuris apibūdina, kaip poros dalelių išlieka koreliuoja, net jei jos tampa atskirtos. Įstrigimas yra pagrindinė informacija apie kvantinę apsaugą: gavėjai gali palyginti jų įstrigę poros matavimus, kad įsitikintumėte, ar prievartavimas sugadino vieną iš pranešimų.

Kitas tyrimo etapas - sukurti neutralios silicio laisvos vietos ir fotoninių grandinių sąsają, kad fotonai iš tinklo įneštų į spalvotą centrą ir iš jo.

Ania Bleszynski Jayich, Kalifornijos universiteto fizikos profesorė Santa Barbaroje, teigė, kad mokslininkai sėkmingai patenkino ilgametį iššūkį - rasti deimantų trūkumą su savybėmis, palankiomis dirbti su fotonų ir elektronų kvantinėmis savybėmis.

"Autorių medžiagų ir inžinerijos metodo sėkmė nustatant perspektyvias kietų kietųjų kvazifinių platformų sistemas rodo, kad kietosios būsenos defektai yra universalūs, ir gali paskatinti išsamesnę ir išsamią paiešką per didesnę skerspjūvio medžiagą ir defektų kandidatai ", sakė Jayich, kuris nebuvo įtrauktas į tyrimą.

Prinstono komandoje dalyvavo Brendonas Rose, doktorantų mokslinis bendradarbis, o taip pat magistrantūros studentai Ding Huang ir Zi-Huai Zhang, kurie yra de Leono laboratorijos nariai. De Leono komandoje taip pat dalyvavo doktorantūros tyrinėtojai Paulius Stevensonas, Sorawisas Sangtawesinas ir Srikantas Srinivasanas, buvęs IBM dabar dirbantis mokslų daktaras. Papildomus įnašus pateikė personalo tyrinėtojas Aleksejus Tyryshkinas ir elektrotechnikos profesorius Steponas Lyons. Grupė bendradarbiavo su Lorne Loudin Gemologijos institutu Amerikoje ir Matthew Markham, Andrew Edmonds ir Daniel Twitchen "Element Six".

menu
menu