Syntetisk Diamonds Lead Princeton Team til Quantum Encryption Gennembrud

Det er meget sværere at lagre kvantumbits af information eller qubits end at gemme almindelige binære cifre. Det er ikke blot dem eller nuller, men hele rækken af ​​subtile kvante superpositioner mellem dem. Elektroner kan nemt glide ud af disse stater, hvis de ikke er lagret i de rigtige materialer. Derfor arbejder elektriske ingeniører hos Princeton sammen med en britisk producent for at skabe et bedre lagringsmateriale - syntetiske diamanter - fra bunden. De offentliggjorde en redegørelse for deres succes torsdag i Videnskab.

I årtier har fysikere, ingeniører, ingeniører og andre forsøgt at nå det konceptuelle løfte om kvantkrypteret kommunikation, fordi de data, der overføres i den proces, teoretisk er immune over for skjult overvågning. Ethvert forsøg på at observere disse data mellem parterne - i henhold til Heisenberg Usikkerhedsprincippet - ville fundamentalt ændre disse oplysninger og afsløre hurtigt, at det var kompromitteret. Problemet har lagret og bevaret qubits og derefter konverteres til fiberoptiske fotoner, og ved hjælp af diamanter ser ud til at være ruten mod opnåelse af begge. Men ikke bare nogen diamant vil gøre, hvorfor Princetons hold har været hårdt på arbejde med at skabe en syntetisk, som de beskriver i deres papir.

"De egenskaber, som vi målretter mod er, hvad der er relevant for kvante netværk," fortæller elektroingeniør Nathalie de Leon Inverse. I Princeton, hvor de Leon er en adjunkt, er holdets fokus hovedsagelig opfinde kvantemateriel. "Det er applikationer, hvor du vil have noget, der har lang opbevaringstid, og så har du også en god grænseflade med fotoner, så du kan sende lys over meget lange afstande."

Photonic interaktioner betyder meget for højhastighedskommunikation i international kommunikation, fordi al information, der rejser langs fiberoptiske kabler, bevæger sig gennem vores globale infrastruktur som diskrete fotoner - krydser 69 procent af lysets hastighed. (Pæn.)

"Det sætter mange begrænsninger på de optiske egenskaber," siger Leon. "Som et eksempel er det meget vigtigt, at farven er stabil. Hvis fotonens farve hopper rundt med tiden, så er det virkelig dårligt for disse protokoller."

Lige nu forsøger de Leon's gruppe at lave en version af disse syntetiske diamanter, der kan konvertere til standard 1,550-nanometer bølgelængde, hvor fotoner nu krydser fiberoptiske kabler. I øjeblikket understøtter hendes holdes syntetiske diamanter 946-nanometer fotonbølgelængder. (Photon "farve" er lidt af en eufemisme her, da begge disse bølgelængder er nyanser af infrarød uden for det synlige spektrum.)

Den forhindring, som hendes hold netop lykkedes at krydse, gemmer de qubits i krystallinske kvante repeater, svarende til de repeaters, der i øjeblikket bruges til at forhindre signal tab og nedbrydning i nutidens fiberoptiske kommunikation. Det kritiske trin i denne proces var at producere syntetiske diamanter med så små uønskede urenheder som muligt (nitrogen, hovedsagelig) og flere af de urenheder, de rent faktisk ønskede (silicium og bor).

"Kvælstof viser sig at være den overvejende mangel, du får i disse diamanter," siger Leon. Hendes gruppes partnere på den britiske diamantproducent Element Six måtte skabe overordnede vakuumforhold, da selv almindelige støvsugere kan forlade nok kvælstof i kammeret for at forurene de kunstigt fremstillede krystaller. Fordi nitrogen har en mere fri elektron end kulstof, forstyrrer nitrogen urenheder den unikke elektriske makeup, som forskerne håber på.

Andre små defekter kan også undergrave disse diamants qubit-lagringspotentiale.Målet er at have par af størrelser i atomstørrelser i krystalrammen sammen med et substitueret siliciumatom, hvor et enkelt carbon har været, men nogle gange kan parene sammensætte i "ledige grupper", der begynder at omfordele deres elektroner i irriterende, kontraproduktive måder. Sommetider kan polering og ætsning af skader på overfladen af ​​diamanten også forårsage en dominoeffekt, der brækker med dette mønster af elektroner. Det er her at tilføje bor - som har en mindre fri elektron end kulstof - kan hjælpe.

"Hvad vi skulle gøre", siger de Leon, "begynder begge med denne ultrahøj renhedsdiamant og vokser derefter i noget bor for i det væsentlige at opsuge nogle af de ekstra elektroner, som vi ikke kunne kontrollere. Så var der meget materialebehandling - kedelige ting som termisk glødning og reparation af overfladen i slutningen for at sikre, at vi stadig slippe af med mange af disse andre typer af fejl, der giver dig ekstra omkostninger."

Mastering af begge disse udfordringer, mange i området mistænkte, er nøglerne til fuldt funktionel og næsten umulig at knække kvantekryptering.

Før starten af ​​syntetiske diamanter for kun få år siden, måtte forskere inden for kvanteoptik stole på naturlige diamanter for at gøre deres arbejde - især en bestemt diamant.

Ifølge de Leon måtte alle inden for kvanteoptik basere sig på en enkelt naturligt fremstillet diamant fra Rusland, der netop er sket med den rette procentdel af bor, nitrogen og andre urenheder for at gøre deres forskning mulig. Fragmenter af diamanten blev spaltet og distribueret til forskningsgrupper over hele verden.

"Mange af grupperne havde deres eget lille stykke af den" magiske "russiske diamant", som de Leon fortalte Princetons interne nyhedstjeneste i 2016. "På Harvard kaldte vi vores 'Magic Alice' og 'Magic Bob'."

Så, TL; DR, bliver vestlige forskere bedre til at fremstille deres egne magiske quantum computing diamanter i stedet for afhængig af sløringer i Ruslands magiske quantum computing diamant. Dette er en faktisk sætning, der lyder latterligt. Classic 2018.