Синтетические алмазы для квантового интернета

В отличие от других синтетических алмазов, которые могут либо хранить квантовую информацию в течение длительного времени, либо передавать ее, новый алмаз может сделать и то, и другое.

Этот кристалл, описанный в издании 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 квантовым хранилищем благодаря виду дефекта в его углеродной решетке, где два соседних атома углерода заменяются одним атомом неуглерода и пустым пространством.

Такое сопряжение демонстрирует квантовое свойство, известное как спин, которое может находиться в состоянии «вверх», «вниз» или одновременно 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 легких частицах или фотонах, которые проходят через волоконно-оптические кабели.

Обнаружение дефектов алмаза в кубитах обычно производится с атомами 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 легкие частицы на широком диапазоне частот, которые путают квантовую информацию, записанную в фотоны.

Дефекты, сделанные с атомами кремния, более точно излучают свет, но до сих пор ученые не смогли хранить кубиты дольше, чем несколько наносекунд из-за их электрического взаимодействия с соседними частицами, объясняет Натани де Леон, инженер из 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 его фотонов с той же частотой — по сравнению с 3 процентами фотонов, излучаемых из-за дефектов азота.

Новый искусственный алмаз можно использовать для создания устройств, называемых квантовыми ретрансляторами для междугородных квантовых коммуникаций. 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 трамплинами между оптоволоконными кабелями, чтобы расширить охват будущих сетей.

Больше информации: B.C. Rose et al. Observation of an environmentally insensitive solid-state spin defect in diamond. Science. Vol. 361, July 6, 2018, p. 60. doi: 10.1126/science.aao0290.