1-implantingdi.jpg
Искусственный алмаз.

Алмазы ценятся за их чистоту (отсутствие примесей), но именно эти ювелирные недостатки могут быть ключом к новому типу высокозащищенных коммуникаций.

Исследователи из Принстонского университета используют алмазы для создания коммуникационной сети, которая опирается на свойство субатомных частиц, известное как квантовое состояние (так как для квантовых частиц, входящих в квантовую систему, мы не можем точно определить все физические параметры, то для описания состояния такой системы и введен этот термин. Иными словами, квантовое состояние — это любое возможное состояние, в котором может находиться квантовая система — прим. перев.). Они считают, что такие квантовые информационные сети были бы чрезвычайно безопасными, а также позволяли бы новым квантовым компьютерам работать вместе для решения проблем, которые в настоящее время неразрешимы. Но ученые, которые в настоящее время разрабатывают эти сети, сталкиваются с рядом проблем, в том числе с тем, как передать «хрупкую» квантовую информацию на большие расстояния.

И теперь исследователи пришли к возможному решению проблемы благодаря использованию синтетических алмазов. В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Science, они описывают, как можно хранить и передавать биты квантовой информации, известные как кубиты, используя алмаз, в котором два атома углерода заменены одним атомом кремния.

В используемых сейчас сетях связи устройства, называемые ретрансляторами, некоторое время хранят и повторно передают сигналы, усиливая их, чтобы информация могла передаваться на большие расстояния. Натали де Леон, доцент электротехники Принстонского университета и ведущий исследователь, сказала, что алмазы могут служить в качестве квантовых ретрансляторов для сетей, основанных на кубитах.

Идея квантового ретранслятора существует уже давно, «но никто не знал, как их построить», — говорит Леон. «Мы пытаемся найти то, что будет основным компонентом квантового ретранслятора».

Основная проблема при создания квантовых ретрансляторов заключалась в поиске материала, который мог бы хранить и передавать кубиты. Пока что лучший способ передачи кубитов — кодировать их в частицы света, называемые фотонами. Оптоволокно, используемое в настоящее время повсеместно для создания сетей, уже передает информацию через фотоны. Однако кубиты в оптическом волокне могут перемещаться только на короткие расстояния до того, как потеряют свои квантовые свойства, и информация потеряется. Трудно ловить и хранить фотоны, которые по определению движутся со скоростью света.

implantingdi.jpg
Фиолетовые лучи — потоки фотонов, синие кружки со стрелками — спины (внутренние моменты инерции частиц). Фотоны, передающие информацию, могут определенным образом менять спины электронов, что и позволяет хранить с их помощью данные.

Вместо этого исследователи рассматривали твердотельные материалы, такие как кристаллы, чтобы обеспечить хранение квантовых данных. В кристалле, таком как алмаз, кубиты теоретически могут быть перенесены с фотонов на электроны, которые легче хранить. Ключевым местом для осуществления такого переноса могут быть изъяны в алмазе — места в углеродистой решетке, где есть химические элементы, отличные от углерода. Ювелиры знали на протяжении веков, что примеси в алмазах придают им разные цвета. Для команды Леоны эти цветовые вкрапления, так называемые примеси, дают возможность манипулировать светом и создать квантовый ретранслятор.

Сначала исследователи пытались использовать дефекты, называемые азото-замещенными вакансиями: это места, где атом азота заменяет один из атомов углерода. Но, увы, было обнаружено, что, хотя эти дефекты и хранят информацию, они не имеют правильных оптических свойств. Затем решено было проверить кремниевые вакансии — замещение атома углерода атомом кремния. Но и они не подходили: да, с их помощью можно передавать информацию в фотоны, но не было согласованности во времени (то есть фаза колебания электромагнитной волны была непредсказуема).

«Мы задумались — а что мы знаем о причинах ограничений этих двух видов дефектов? », — сказала де Леон. «Можем ли мы создать что-то абсолютно новое, с нуля, чтобы устранить все эти проблемы?»

Принстонская команда решила экспериментировать с электрическим зарядом дефекта. Теоретически, кремниевые вакансии должны быть электрически нейтральными, но, как оказалось, соседние примеси могут менять электрический заряд дефекта. Было выдвинуто предположение, что может существовать связь между зарядом и возможностью держать спины электронов в правильной ориентации для хранения кубитов.

Исследователи объединились с Element Six, промышленной компанией по производству алмазов, чтобы создать алмаз с электрически нейтральными кремниевыми вакансиями. Компания смогла это сделать путем добавления в слои углерода атомов бора, которые вытесняют другие примеси, из-за которых может нарушиться нейтральный заряд.

«Мы должны были проделать все эти танцы вокруг заряда чтобы иметь возможность изменять заряд дефектов так, как нам надо», — говорит Леон. «Мы контролируем распределение заряда в фоновых дефектах алмаза, и это позволяет нам контролировать заряд тех дефектов, которые нас волнуют».

5b3df2c4df77c.jpg
Выращивание алмаза по слоям, фото сделано при помощи микроскопа.

Затем исследователи внедрили ионы кремния в алмаз, после чего нагрели его до высоких температур, чтобы удалить все другие примеси, имеющие собственный заряд. После нескольких итераций, а также анализу, проведенному в сотрудничестве с учеными из Геммологического института Америки, команда все же смогла создать электрически нейтральные кремниевые вакансии в алмазах.

Нейтральные кремниевые вакансии отлично подходят как для передачи квантовой информации с использованием фотонов, так и для ее хранения с использованием электронов, которые являются ключевыми компонентами для создании такого квантового состояния, как запутанность, которое описывает то, как пары частиц остаются взаимосвязанными, даже если их разделить. Запутанность является ключом к обеспечению безопасности квантовой информации: получатели могут сравнивать состояния частиц в запутанных парах, чтобы увидеть, было ли повреждено сообщение при пересылке.

Следующим шагом в исследовании является построение интерфейса между нейтральными кремниевыми вакансиями и фотонными схемами для вывода фотонов из сети в алмаз и наоборот.

Аня Блешински Джаич, профессор физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, говорит, что исследователи успешно справились с давней проблемой обнаружения дефекта алмаза с характеристиками, благоприятными для работы с квантовыми свойствами как фотонов, так и электронов.

«Успех авторско-инженерного подхода к определению перспективных твердотельных квантовых платформ на основе дефектов в алмазах подчеркивает универсальность твердотельных дефектов и, вероятно, будет способствовать более полному и широкому поиску новых, еще более лучших материалов на замену кремнию», — сказала Джаич, не участвующая в исследовании.