เพชรสังเคราะห์นำทีมจาก Princeton ไปสู่การพัฒนาการเข้ารหัสควอนตัม

การจัดเก็บบิตควอนตัมของข้อมูลหรือ qubits นั้นยากกว่าการจัดเก็บเลขฐานสองธรรมดา ไม่ใช่เพียงแค่ศูนย์หรือศูนย์ แต่เป็นช่วงซ้อนของควอนตัมที่ละเอียดอ่อนทั้งช่วง อิเล็กตรอนสามารถเลื่อนออกจากรัฐเหล่านั้นได้อย่างง่ายดายหากไม่ได้เก็บไว้ในวัสดุที่เหมาะสมซึ่งเป็นสาเหตุที่วิศวกรไฟฟ้าของ Princeton กำลังทำงานร่วมกับผู้ผลิตในสหราชอาณาจักรเพื่อสร้างวัสดุเก็บข้อมูลที่ดีกว่า - เพชรสังเคราะห์ - จากศูนย์ พวกเขาตีพิมพ์บัญชีของความสำเร็จในวันพฤหัสบดีที่ใน วิทยาศาสตร์.

เป็นเวลาหลายสิบปีแล้วที่นักฟิสิกส์วิศวกรวัสดุและคนอื่น ๆ พยายามที่จะบรรลุข้อตกลงทางแนวคิดของการสื่อสารที่เข้ารหัสด้วยควอนตัมเพราะข้อมูลที่ถ่ายโอนในกระบวนการนั้นมีเหตุผลในทางทฤษฎีต่อการเฝ้าระวังที่แอบแฝง ความพยายามใด ๆ ที่จะสังเกตว่าข้อมูลระหว่างฝ่ายต่าง ๆ - ตามหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก - จะแก้ไขข้อมูลนั้นอย่างเปิดเผยโดยทันทีเผยให้เห็นว่ามันถูกบุกรุก ปัญหาได้รับการจัดเก็บและรักษา qubits แล้วแปลงเป็นโฟตอนพร้อมใช้ใยแก้วนำแสงและการใช้เพชรดูเหมือนจะเป็นเส้นทางสู่การบรรลุทั้งสอง แต่ไม่เพียง แต่เพชรจะทำเท่านั้นซึ่งเป็นสาเหตุที่ทีมของ Princeton ทำงานหนักในการสร้างสังเคราะห์ขึ้นมาตามที่อธิบายไว้ในกระดาษ

“ คุณสมบัติที่เรากำหนดเป้าหมายเป็นสิ่งที่เกี่ยวข้องกับเครือข่ายควอนตัม” วิศวกรไฟฟ้านาธาลีเดอลีอองบอก ผกผัน. ที่ปรินซ์ตันซึ่งเดอลีอองเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์การมุ่งเน้นที่ทีมของเธอคือการประดิษฐ์ฮาร์ดแวร์ควอนตัม “ เป็นแอปพลิเคชันที่คุณต้องการบางสิ่งบางอย่างที่มีระยะเวลาเก็บนานแล้วยังมีอินเทอร์เฟซที่ดีกับโฟตอนเพื่อให้คุณสามารถส่งแสงในระยะไกลมาก ๆ ”

การสื่อสารแบบโทนิคมีความสำคัญอย่างมากสำหรับการสื่อสารระหว่างประเทศด้วยความเร็วสูงเนื่องจากข้อมูลทั้งหมดที่เดินทางผ่านสายเคเบิลใยแก้วนำแสงนั้นเคลื่อนที่ผ่านโครงสร้างพื้นฐานระดับโลกของเราในรูปแบบโฟตอนที่แยกตัว - ล่องเรือที่ 69 เปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสง (ซ.)

“ นั่นทำให้มีข้อ จำกัด มากมายเกี่ยวกับลักษณะทางแสง” de Leon กล่าว “ เป็นตัวอย่างหนึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่สีจะมีความเสถียร หากสีของโฟตอนกระโดดไปตามกาลเวลานั่นเป็นสิ่งที่ไม่ดีเลยสำหรับโปรโตคอลเหล่านี้”

ขณะนี้กลุ่มของ de Leon กำลังพยายามสร้างเพชรสังเคราะห์เหล่านี้ซึ่งสามารถแปลงเป็นความยาวคลื่น 1,550 นาโนเมตรมาตรฐานซึ่งตอนนี้โฟตอนเคลื่อนที่ผ่านสายเคเบิลใยแก้วนำแสง ปัจจุบันเพชรสังเคราะห์ของทีมเธอรองรับความยาวคลื่นโฟตอน 946 นาโนเมตร (โฟตอน“ สี” เป็นคำศัพท์ที่นุ่มนวลเนื่องจากความยาวคลื่นทั้งสองนี้เป็นสีของแสงอินฟราเรดที่อยู่นอกสเปกตรัมที่มองเห็น)

อุปสรรค์ที่ทีมของเธอเพิ่งประสบความสำเร็จในการข้ามคือการเก็บ qubits เหล่านั้นในทวนควอนตัมแบบผลึกคล้ายกับทวนที่ใช้ในปัจจุบันเพื่อป้องกันการสูญเสียสัญญาณและความเสื่อมในการสื่อสารใยแก้วนำแสงในปัจจุบัน ขั้นตอนสำคัญในกระบวนการนี้คือการผลิตเพชรสังเคราะห์ที่มีสิ่งเจือปนที่ไม่พึงประสงค์น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (ไนโตรเจนส่วนใหญ่) และสิ่งสกปรกที่พวกเขาต้องการจริง ๆ (ซิลิคอนและโบรอน)

“ ไนโตรเจนกลายเป็นข้อบกพร่องสำคัญที่คุณได้รับจากเพชรเหล่านี้” เดอลีอองกล่าว พันธมิตรของกลุ่มของเธอที่ Element Six ผู้ผลิตเพชรชาวอังกฤษต้องสร้างเงื่อนไขสุญญากาศสูงกว่าค่าเฉลี่ยเนื่องจากแม้แต่เครื่องดูดฝุ่นธรรมดาก็สามารถปล่อยไนโตรเจนให้เพียงพอในห้องเพื่อปนเปื้อนผลึกที่ทำเทียม เนื่องจากไนโตรเจนมีอิเล็กตรอนอิสระมากกว่าคาร์บอนสิ่งสกปรกไนโตรเจนจะรบกวนการแต่งหน้าด้วยไฟฟ้าที่ไม่เหมือนใครที่นักวิจัยหวังไว้

ข้อบกพร่องเล็ก ๆ อื่น ๆ สามารถบั่นทอนศักยภาพในการจัดเก็บ qubit ของเพชรเหล่านี้ได้เช่นกันเป้าหมายคือการมีตำแหน่งว่างขนาดเท่าอะตอมในเฟรมคริสตัลข้างอะตอมซิลิกอนแทนที่ซึ่งมีคาร์บอนเดี่ยวเคยเป็น แต่บางครั้งคู่เหล่านั้นสามารถรวมตัวกันใน "กลุ่มตำแหน่งว่าง" ที่เริ่มกระจายอิเล็กตรอนของพวกเขาในที่น่ารำคาญ วิธีการต่อต้าน บางครั้งการขัดและแกะสลักความเสียหายบนพื้นผิวของเพชรยังสามารถทำให้เกิดผลกระทบโดมิโนยุ่งกับรูปแบบของอิเล็กตรอนนี้เช่นกัน นี่คือที่ที่เพิ่มโบรอนซึ่งมีอิเล็กตรอนอิสระน้อยกว่าคาร์บอนหนึ่งตัวสามารถช่วยได้

“ สิ่งที่เราต้องทำ” เดอลีอองกล่าว“ ทั้งคู่เริ่มต้นจากเพชรบริสุทธิ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงพิเศษนี้แล้วเติบโตในโบรอนเพื่อดูดซับอิเล็กตรอนพิเศษใด ๆ ที่เราไม่สามารถควบคุมได้ จากนั้นก็มีการประมวลผลของวัสดุมากมาย - สิ่งที่น่าเบื่อเช่นการอบด้วยความร้อนและการซ่อมแซมพื้นผิวในตอนท้ายเพื่อให้แน่ใจว่าเรายังกำจัดข้อบกพร่องประเภทอื่น ๆ เหล่านี้จำนวนมากที่ให้ค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม"

การควบคุมความท้าทายทั้งสองอย่างนี้ซึ่งผู้ต้องสงสัยหลายคนในพื้นที่เป็นกุญแจสำคัญในการทำงานอย่างเต็มที่และแทบเป็นไปไม่ได้ที่จะถอดรหัสการเข้ารหัสควอนตัม

ก่อนรุ่งอรุณของเพชรสังเคราะห์เพียงไม่กี่ปีที่ผ่านมานักวิจัยในสาขาของเลนส์ควอนตัมต้องพึ่งพาเพชรธรรมชาติเพื่อทำงานของพวกเขา - โดยเฉพาะเพชรหนึ่งโดยเฉพาะ

จากข้อมูลของเดอลีอองทุกคนในสาขาควอนตัมออปติกต้องพึ่งพาเพชรที่ผลิตจากรัสเซียโดยธรรมชาติซึ่งเพิ่งจะมีสัดส่วนของโบรอนไนโตรเจนและสิ่งเจือปนอื่น ๆ ที่เหมาะสมเพื่อให้การวิจัยเป็นไปได้ ชิ้นส่วนของเพชรถูกตัดออกและแจกจ่ายให้กับกลุ่มวิจัยทั่วโลก

“ กลุ่มหลายกลุ่มมีเพชรรัสเซียชิ้นเล็ก ๆ ของพวกเขาเอง” เดอลีอองบอกกับสำนักข่าวของ Princeton ในปี 2559“ ที่ฮาร์วาร์ดเราเรียกพวกเราว่า 'Magic Alice' และ 'Magic Bob'”

ดังนั้น TL; DR นักวิทยาศาสตร์ชาวตะวันตกเริ่มดีขึ้นในการผลิตเพชรควอนตัมคำนวณด้วยตัวเองแทนที่จะขึ้นอยู่กับเศษเพชรควอนตัมคอมพิวเตอร์ขลังของรัสเซีย นี่เป็นประโยคจริงที่ฟังดูไร้สาระ คลาสสิก 2018