Berlian Sintetik Lead Princeton Team ke Terobosan Penyulitan Kuantum

Menyimpan bit kuantum maklumat, atau qubit, jauh lebih sukar daripada menyimpan digit perduaan biasa. Ia bukan semata-mata orang atau nol, tetapi pelbagai superposisi kuantum yang halus di antara mereka. Elektron boleh dengan mudah meluncur dari negeri-negeri tersebut jika mereka tidak disimpan di bahan yang betul, oleh itu jurutera elektrik di Princeton sedang bekerja dengan pengeluar UK untuk membuat bahan penyimpanan yang lebih baik - berlian sintetik - dari awal. Mereka menerbitkan akaun kejayaan mereka pada Khamis Sains.

Selama beberapa dekad, ahli fizik, jurutera bahan, dan lain-lain telah berusaha untuk mencapai janji konseptual komunikasi yang disulitkan kuantum kerana data yang dipindahkan dalam proses itu secara teoritis kebal terhadap pengawasan rahsia. Apa-apa percubaan untuk melihat bahawa data antara pihak - a la Prinsip Ketidakpastian Heisenberg - pada asasnya akan mengubah maklumat itu, dengan cepat mendedahkan bahawa ia telah dikompromikan. Masalahnya adalah menyimpan dan memelihara qubit dan kemudian menukarnya kepada foton fiber optik yang siap, dan menggunakan berlian nampaknya menjadi laluan menuju pencapaian keduanya. Tetapi tidak hanya apa-apa berlian yang akan dilakukan, itulah sebabnya pasukan Princeton telah bekerja keras mewujudkan satu sintetik, seperti yang mereka terangkan di dalam kertas mereka.

"Ciri yang kami sasarkan adalah apa yang berkaitan dengan rangkaian kuantum," kata jurutera elektrik, Nathalie de Leon Songsang. Di Princeton, di mana de Leon adalah pembantu profesor, tumpuan pasukannya pada asasnya mencipta perkakasan kuantum. "Ia adalah aplikasi di mana anda mahu sesuatu yang mempunyai masa penyimpanan yang panjang, dan kemudian juga mempunyai antara muka yang baik dengan foton supaya anda boleh menghantar cahaya ke atas jarak yang sangat panjang."

Interaksi fotonik banyak penting untuk komunikasi antarabangsa berkecepatan tinggi kerana semua maklumat yang berjalan di sepanjang kabel serat optik bergerak melalui infrastruktur global kami sebagai foton diskret - pelayaran di 69 peratus dari kelajuan cahaya. (Bagus.)

"Itu meletakkan banyak kekangan pada ciri optik," kata de Leon. "Sebagai satu contoh, warna sangat stabil. Jika warna foton melompat dari masa ke masa, maka itu benar-benar buruk bagi protokol ini."

Buat masa ini, kumpulan de Leon sedang berusaha untuk membuat versi berlian tiruan yang boleh ditukar kepada panjang gelombang 1,550-nanometer standard di mana foton kini melintasi kabel gentian optik. Pada masa ini, berlian sintetik pasukannya menyokong panjang gelombang foton 946-nanometer. (Photon "warna" adalah sedikit eufemisme di sini kerana kedua-dua gelombang ini adalah warna inframerah di luar spektrum yang kelihatan.)

Rintangan bahawa pasukannya hanya berjaya menyeberang adalah menyimpan qubit dalam pengulang kuantum kristal, serupa dengan pengulang yang kini digunakan untuk mencegah kehilangan isyarat dan penurunan dalam komunikasi serat optik hari ini. Langkah kritikal dalam proses ini menghasilkan berlian sintetik dengan kekotoran yang tidak diinginkan (nitrogen, terutama) dan lebih banyak kekotoran yang mereka inginkan (silikon dan boron).

"Nitrogen ternyata kecacatan utama yang anda dapatkan dalam berlian ini," kata de Leon. Rakan kongsi kumpulannya di pembuat berlian British Element Six harus membuat keadaan vakum di atas kerana sesetengah vakum biasa boleh meninggalkan nitrogen yang cukup di dalam ruang untuk mencemarkan kristal buatan buatan. Kerana nitrogen mempunyai satu lagi elektron bebas daripada karbon, kekotoran nitrogen mengganggu susunan elektrik yang unik yang diharapkan para penyelidik.

Kecacatan kecil lain boleh menjejaskan potensi penyimpanan qubit berlian ini.Matlamatnya adalah untuk mempunyai pasangan kekosongan berukuran atom dalam kerangka kristal di samping atom silikon yang digantikan di mana karbon tunggal digunakan, tetapi kadang-kadang pasangan itu dapat mengumpulkan bersama dalam "kluster kekosongan" yang mula mengedarkan semula elektron mereka dengan mengganggu, cara yang tidak produktif. Kadang-kadang menggilap dan meremajakan kerosakan pada permukaan berlian juga boleh menyebabkan kesan domino, mengawal corak elektron ini juga. Di sinilah menambahkan boron - yang mempunyai satu elektron kurang bebas daripada karbon - dapat membantu.

"Apa yang perlu kita lakukan," kata Leon, "kedua-duanya bermula dengan berlian kesucian ultra-tinggi ini dan kemudian berkembang di beberapa boron untuk meresap mana-mana elektron tambahan yang kita tidak dapat mengawal. Kemudian terdapat banyak bahan pemprosesan - barangan yang membosankan seperti penyepuhlindapan haba dan memperbaiki permukaan pada akhir untuk memastikan bahawa kami masih menyingkirkan banyak jenis kecacatan lain yang memberi anda caj tambahan."

Menguasai kedua-dua cabaran ini, banyak di dalam suspek lapangan, adalah kunci untuk berfungsi sepenuhnya dan hampir mustahil untuk menghancurkan enkripsi kuantum.

Sebelum permulaan berlian sintetik hanya beberapa tahun yang lalu, penyelidik dalam bidang optik kuantum terpaksa bergantung pada berlian semulajadi untuk melakukan kerja mereka - satu berlian khusus, khususnya.

Menurut Leon, semua orang dalam bidang optik kuantum terpaksa bergantung pada berlian tunggal, semulajadi dari Rusia yang hanya mempunyai persentase yang betul boron, nitrogen, dan kekotoran lain untuk membuat penyelidikan mereka mungkin. Fragment berlian telah dibuang dan diedarkan kepada kumpulan penyelidikan di seluruh dunia.

"Banyak kumpulan mempunyai sepucuk kecil dari 'sihir' berlian Rusia," seperti yang disampaikan oleh Leon kepada perkhidmatan berita di Princeton pada 2016. "Di Harvard, kami memanggil 'Magic Alice' dan 'Magic Bob' kami."

Oleh itu, TL, DR, saintis Barat menjadi lebih baik dalam pembuatan berlian kuantum pengkomputeran kuantum ajaib mereka sendiri, bukannya bergantung kepada berlian berlian komputasi kuantum ajaib Rusia. Ini adalah ayat fakta yang tidak masuk akal. Klasik 2018.