Els diamants sintètics lideren l'equip de Princeton a Quantum Encryption Breakthrough

L’emmagatzematge de bits quàntics d’informació o qubits és molt més difícil que l’emmagatzematge de dígits binaris normals. No són simplement els zero o els zeros, sinó tot el conjunt de subtils superposicions quàntiques entre elles. Els electrons poden sortir fàcilment d'aquests estats si no estan emmagatzemats en els materials adequats, motiu pel qual els enginyers elèctrics de Princeton treballen amb un fabricant del Regne Unit per crear un millor material d’emmagatzematge: diamants sintètics. Van publicar un relat del seu èxit el dijous a Ciència.

Durant dècades, els físics, els enginyers de materials i altres han estat tractant d’aconseguir la promesa conceptual de les comunicacions xifrades quantòniques, ja que les dades transferides en aquest procés són teòricament immunes a la vigilància secreta. Qualsevol intent d’observar que les dades entre les parts - al principi d’incertesa de Heisenberg - modificaria fonamentalment aquesta informació, revelant ràpidament que estava compromesa. El problema ha estat emmagatzemar i conservar qubits i després convertir-los en fotons preparats per a fibra òptica, i l'ús de diamants sembla ser la ruta cap a la consecució de tots dos. Però no només qualsevol diamant ho farà, de manera que l’equip de Princeton ha treballat dur per crear un material sintètic, tal com descriuen en el seu article.

"Les propietats que dirigim són rellevants per a les xarxes quàntiques", explica l'enginyer elèctric Nathalie de Leon Invers. A Princeton, on de Leon és professor assistent, l’enfocament del seu equip s’està inventant fonamentalment el maquinari quàntic. "Són aplicacions on voleu una cosa que tingui un temps d’emmagatzematge molt llarg i, a més, també té una bona interfície amb els fotons, de manera que pugueu enviar llum a llargues distàncies".

Les interaccions fotòniques són importants per a les comunicacions internacionals d’alta velocitat, ja que tota la informació que viatja a través de cables de fibra òptica es mou a través de la nostra infraestructura global com a fotons discrets, que creuen el 69% de la velocitat de la llum. (Niça.)

"Això posa moltes restriccions a les característiques òptiques", diu De Leon. "Com a exemple, és realment important que el color sigui estable. Si el color del fotó està saltant al llarg del temps, això és realment dolent per a aquests protocols."

Ara mateix, el grup de Leon està intentant elaborar una versió d'aquests diamants sintètics que poden convertir-se en la longitud d'ona estàndard de 1.550 nanòmetres en què els fotons recorren ara cables de fibra òptica. Actualment, els diamants sintètics del seu equip donen suport a longituds d'ona de fotons de 946 nanòmetres. (El "color" del fotó és una mica d’un eufemisme, ja que totes dues longituds d’ona són tons d’infrarojos fora de l’espectre visible.)

L’obstacle que el seu equip va aconseguir recórrer és emmagatzemar aquells qubits en repetidors quàntics cristal·lins, similars als repetidors que actualment s’utilitzen per prevenir la pèrdua de senyal i la degradació de les comunicacions de fibra òptica actuals. El pas crític en aquest procés era produir diamants sintètics amb pocs impureses no desitjades (nitrogen, principalment) i més impureses que realment volien (silici i bor).

"El nitrogen és el defecte predominant en aquests diamants", diu De Leon. Els socis del seu grup al fabricant britànic de diamants Element Six van haver de crear condicions de buit per sobre de la mitjana, ja que fins i tot els buits normals poden deixar suficient nitrogen a la cambra per contaminar els cristalls artificials. Com que el nitrogen té un electró més lliure que el carboni, les impureses de nitrogen perden la composició elèctrica única que els investigadors esperen.

Altres petits defectes també poden minar el potencial d'emmagatzematge qubit d'aquests diamants.L'objectiu és tenir parells de places vacants a l'àtom en el marc cristal·lí al costat d'un àtom de silici substituït en el que abans hi havia un sol carboni, però de vegades aquests parells poden agrupar-se en "grups de vacants" que comencen a redistribuir els seus electrons en molest, formes contraproduents. De vegades, els danys de polit i gravat a la superfície del diamant també poden provocar un efecte dòmino, també amb aquest patró d’electrons. Aquí és on pot ajudar a afegir bor - que té un electró menys lliure que el carboni.

"El que havíem de fer", diu De Leon, "són els dos que comencen amb aquest diamant de gran puresa i després creixen en algun boro per absorbir bàsicament qualsevol dels electrons addicionals que no podíem controlar." Aleshores, hi va haver un munt de processament de materials: coses avorrides com el recuit tèrmic i la reparació de la superfície al final per assegurar-nos que encara ens alliberem d’aquests altres tipus de defectes que us donen càrrecs addicionals ”.

Dominar ambdós desafiaments, molts sospitosos en el camp, són les claus per al xifratge quàntic totalment funcional i gairebé impossible.

Abans de l'alba dels diamants sintètics només fa uns quants anys, els investigadors en el camp de l'òptica quàntica havien de dependre dels diamants naturals per fer la seva feina: un diamant específic, en particular.

Segons De Leon, tothom en el camp de l'òptica quàntica va haver de dependre d'un únic diamant natural de Rússia que acaba de tenir el percentatge adequat de bor, nitrogen i altres impureses per fer possible la seva investigació. Es van escindir fragments del diamant i es van distribuir a grups de recerca de tot el món.

"Molts dels grups van tenir el seu propi trosset del diamant rus" màgic ", tal com va dir De Leon el servei de notícies internes de Princeton el 2016." A Harvard, vam anomenar els nostres "Magic Alice" i "Magic Bob"."

Així, TL; DR, els científics occidentals milloren la fabricació dels seus propis diamants de computació quàntica màgica en comptes de dependre dels fragments del màgic diamant de computació quàntica de Rússia. Aquesta és una frase factual que sona ridícul. Classic 2018.