Diamanten worden gewaardeerd om hun zuiverheid, maar hun gebreken kunnen de sleutel zijn tot een nieuw type zeer veilige communicatie.

Onderzoekers van Princeton University gebruiken diamanten om een ​​communicatienetwerk te helpen creëren dat afhankelijk is van een eigenschap van subatomaire deeltjes die bekend staat als hun kwantumtoestand. Onderzoekers geloven dat dergelijke kwantuminformatienetwerken extreem veilig zouden zijn en nieuwe kwantumcomputers ook in staat zouden kunnen stellen om samen te werken om problemen op te lossen die momenteel onoplosbaar zijn. Maar wetenschappers die deze netwerken momenteel ontwerpen, staan ​​voor verschillende uitdagingen, inclusief hoe fragiele kwantuminformatie over lange afstanden kan worden bewaard.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers zijn tot een mogelijke oplossing gekomen met synthetische diamanten.

In een artikel dat deze week in het tijdschrift verscheen Wetenschap , beschrijven de onderzoekers hoe ze stukjes kwantuminformatie konden opslaan en verzenden, bekend als qubits, met behulp van een diamant waarin ze twee koolstofatomen hadden vervangen door één siliciumatoom.

In standaard communicatienetwerken, apparaten die repeaters worden genoemd, slaan signalen kort op en zenden ze opnieuw uit zodat ze grotere afstanden kunnen afleggen. Nathalie de Leon, een assistent-professor elektrotechniek aan de Princeton University en de hoofdonderzoeker, zei dat de diamanten zouden kunnen dienen als kwantumrepeaters voor netwerken op basis van qubits.

Het idee van een kwantumrepeater bestaat al heel lang, "maar niemand wist hoe ze te bouwen, " zei de Leon. "We probeerden iets te vinden dat zou fungeren als het belangrijkste onderdeel van een kwantumrepeater."

De belangrijkste uitdaging bij het maken van kwantumrepeaters is het vinden van een materiaal dat qubits kan opslaan en verzenden. Tot dusver, de beste manier om qubits te verzenden is ze te coderen in lichtdeeltjes, fotonen genoemd. Optische vezels die momenteel in een groot deel van het netwerk worden gebruikt, verzenden informatie al via fotonen. Echter, qubits in een optische vezel kunnen slechts korte afstanden afleggen voordat hun speciale kwantumeigenschappen verloren gaan en de informatie wordt vervormd. Het is moeilijk om een ​​foton te vangen en op te slaan, die per definitie met de snelheid van het licht beweegt.

In plaats daarvan, onderzoekers hebben gekeken naar vaste stoffen zoals kristallen om de opslag te bieden. In een kristal, zoals een diamant, qubits zouden theoretisch kunnen worden overgedragen van fotonen naar elektronen, die makkelijker op te bergen zijn. De belangrijkste plaats om een ​​dergelijke overdracht uit te voeren, zijn gebreken in de diamant, locaties waar andere elementen dan koolstof zijn gevangen in het koolstofrooster van de diamant. Juweliers weten al eeuwen dat onzuiverheden in diamanten verschillende kleuren produceren. Aan het team van Leon, deze kleurcentra, zoals de onzuiverheden worden genoemd, vertegenwoordigen een kans om licht te manipuleren en een kwantumrepeater te creëren.

Eerdere onderzoekers probeerden eerst defecten te gebruiken die stikstofvacatures worden genoemd - waarbij een stikstofatoom de plaats inneemt van een van de koolstofatomen - maar ontdekten dat hoewel deze defecten informatie opslaan, ze hebben niet de juiste optische eigenschappen. Anderen besloten toen naar siliciumvacatures te kijken - de vervanging van een koolstofatoom door een siliciumatoom. Maar silicium vacatures, terwijl ze de informatie konden overbrengen naar fotonen, ontbrak het aan lange coherentietijden.

"We vroegen, 'Wat weten we over de oorzaak van de beperkingen van deze twee kleurcentra?', " zei de Leon. "Kunnen we gewoon iets anders ontwerpen, iets dat al deze problemen aanpakt?"

Het door Princeton geleide team en hun medewerkers besloten te experimenteren met de elektrische lading van het defect. Siliciumvacatures zouden in theorie elektrisch neutraal moeten zijn, maar het blijkt dat andere nabijgelegen onzuiverheden elektrische ladingen aan het defect kunnen bijdragen. Het team dacht dat er een verband zou kunnen zijn tussen de ladingstoestand en het vermogen om elektronenspins in de juiste richting te houden om qubits op te slaan.

De onderzoekers werkten samen met Element Six, een industrieel diamantproductiebedrijf, om elektrisch neutrale siliciumvacatures te construeren. Element Zes begon met het neerleggen van lagen koolstofatomen om het kristal te vormen. Tijdens het proces, ze voegden booratomen toe, die het effect hebben dat andere onzuiverheden worden verdrongen die de neutrale lading zouden kunnen bederven.

"We moeten deze delicate dans van lading compensatie doen tussen dingen die kosten kunnen toevoegen of wegnemen, " zei de Leon. "We controleren de verdeling van de lading van de achtergronddefecten in de diamanten, en dat stelt ons in staat om de laadstatus van de defecten waar we om geven te controleren."

Volgende, de onderzoekers implanteerden siliciumionen in de diamant, en vervolgens de diamanten verhit tot hoge temperaturen om andere onzuiverheden te verwijderen die ook ladingen zouden kunnen doneren. Door middel van verschillende iteraties van materiaalkunde, plus analyses uitgevoerd in samenwerking met wetenschappers van het Gemological Institute of America, het team produceerde neutrale siliciumvacatures in diamanten.

De neutrale siliciumvacature is goed in zowel het verzenden van kwantuminformatie met behulp van fotonen als het opslaan van kwantuminformatie met behulp van elektronen, die de belangrijkste ingrediënten zijn bij het creëren van de essentiële kwantumeigenschap die bekend staat als verstrengeling, die beschrijft hoe paren deeltjes gecorreleerd blijven, zelfs als ze worden gescheiden. Verstrengeling is de sleutel tot de beveiliging van kwantuminformatie:ontvangers kunnen metingen van hun verstrengelde paar vergelijken om te zien of een afluisteraar een van de berichten heeft beschadigd.

De volgende stap in het onderzoek is het bouwen van een interface tussen de neutrale siliciumleegstand en de fotonische circuits om de fotonen van het netwerk in en uit het kleurencentrum te brengen.

Ania Bleszynski Jayich, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara, zei dat de onderzoekers met succes een langdurige uitdaging waren aangegaan om een ​​diamantfout te vinden met eigenschappen die gunstig zijn voor het werken met kwantumeigenschappen van zowel fotonen als elektronen.

"Het succes van de materiaaltechnische benadering van de auteurs voor het identificeren van veelbelovende solid-state defect-gebaseerde kwantumplatforms benadrukt de veelzijdigheid van solid-state defecten en zal waarschijnlijk inspireren tot een meer uitgebreide en uitgebreide zoektocht over een grotere dwarsdoorsnede van materiaal en defecte kandidaten, " zei Jayich, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Het Princeton-team omvatte Brendon Rose, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker, en afgestudeerde studenten Ding Huang en Zi-Huai Zhang, die lid zijn van het laboratorium van de Leon. Het de Leon-team omvatte ook postdoctoraal onderzoeksmedewerkers Paul Stevenson, Sorawis Sangtawesin, en Srikanth Srinivasan, een voormalig postdoctoraal onderzoeker nu bij IBM. Aanvullende bijdragen kwamen van stafonderzoeker Alexei Tyryshkin en hoogleraar Elektrotechniek Stephen Lyon. Het team werkte samen met Lorne Loudin van het Gemological Institute of America en Matthew Markham, Andrew Edmonds en Daniel Twitchen bij Element Six.