Искусственный алмаз поможет построить квантовый Интернет

Москва, 20:18, 06 Июл 2018, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

В отличие от других синтетических алмазов, которые могут либо хранить квантовую информацию в течение длительного времени, либо передавать ее четко, новый искусственный алмаз может сделать и то, и другое. Этот дизайнерский кристалл, описанный в Science 6 июля, может стать ключевым строительным блоком в квантовом Интернете. Такая футуристическая сеть связи позволит людям отправлять сверхсекретные сообщения и подключать квантовые компьютеры по всему миру.

Синтетический алмаз может служить в качестве квантового хранилища благодаря типу дефекта в его углеродной решетке, где два соседних атома углерода заменяются одним не углеродным атомом и пустым пространством. Это сопряжение демонстрирует квантовое свойство, известное как спин, которое может находиться в состоянии «вверх», «вниз» или одновременно. Каждое из этих состояний отражает бит квантовых данных или кубит, которые могут быть 1, 0 или оба сразу. Алмаз передает кубиты, кодируя их в частицах света (фотонах), которые проходят через волоконно-оптические кабели.

Для хранилища кубитов в алмазах обычно применяются атомы азота, которые могут хранить квантовые данные в течение миллисекунд — относительно долгое время в квантовой сфере. Но дефекты азота не могут четко передать эти данные. Они излучают частицы света на широком диапазоне частот, которые путают квантовую информацию, записанную в фотоны.

Дефекты, созданные с атомами кремния, более точно излучают свет, но до сих пор не смогли хранить кубиты дольше, чем несколько наносекунд из-за их электрического взаимодействия с соседними частицами, объясняет Натани де Леон, инженер-электрик Принстонского университета.

Де Леон и его коллеги столкнулись с этой проблемой, создав дефекты кремния в алмазе, наполненном бором. Этот дополнительный химический ингредиент защищал тонкие дефекты кремния от электрических взаимодействий с соседними частицами, расширяя квантовую память дефектов. Кристалл, наполненный бором, почти конкурировал с долговременной квантовой памятью дефектов азота, сохраняя кубиты около миллисекунды. И это дало чистое считывание фотонов, излучающее около 90 процентов фотонов с той же частотой — по сравнению с 3 процентами фотонов, излучаемыми от дефектов азота.

Настройка среды дефектов кремния была «чрезвычайно творческим способом», чтобы помочь лучше справиться с кубитами, говорит Эвелин Ху, физик-физик и инженер-электрик Гарвардского университета.

Этот новый искусственный алмаз можно использовать для создания устройств, называемых квантовыми ретрансляторами для междугородных квантовых коммуникаций, — говорит Дэвид Авашалом, физик и квантовый инженер Чикагского университета. Кубит-несущие фотоны могут перемещаться только до 100 километров через оптическое волокно, прежде чем их сигнал будет скремблироваться. Квантовые повторители, которые захватывают, хранят и повторно излучают фотоны, могут служить хабами между оптоволоконными кабелями, чтобы расширить охват будущих сетей.