Merkelig Nye Quantum Diamanter gir Håp for en Quantum Internett

Den SiV0 diamondPhoto: Brendon Rose

“Diamonds are forever” er en klisjé som ikke klarer å fullt kapsle inn de mange merkelige egenskaper av diamanter. Men en ny type diamant, en fullastet med urenheter, er avhengig av en slags foreverness som kan være nyttig i fremtiden quantum teknologi—kanskje til og med en quantum internett.

Det høres sikkert ut meningsløst, så la oss opp igjen. Diamanter er bare lattices der hvert karbonatom obligasjoner til nærliggende fire karbonatomer, noe som gjør et sterkt nettverk. Forskere har funnet interessant bruker for diamanter ved å bytte noen av karbon-atomer for nitrogen—som å lage en tid krystall, for eksempel. Et nytt eksperiment i stedet byttet noen av karbonatomer for silisium atomer, lage silisium-ledighet diamanter som kan gjøre for potensielt nyttig quantum systemer.

“Vi viser at gjennom nøye materialer engineering, vi er i stand til å avdekke svært sammenhengende optisk og spinn-egenskaper av SiV0,” forfattere, ledet av Nathalie de Leon, assisterende professor ved Princeton, skrev i studie publisert i Science. I utgangspunktet, disse diamantene har egenskaper som gjør dem nyttig for å knytte kvante-datamaskiner sammen.

Når jeg sier “quantum” jeg i utgangspunktet betyr “adlyder den merkelige regler av kvantemekanikken.” La oss først tenke på eiendommen kalles spinn. Elektroner kan ha et spinn av enten opp eller ned, slik en brikke brikke kan være enten rødt eller svart. Hvis jeg ga deg en brikke mens øynene var lukket, ville du ikke vet sin farge—men teoretisk sett, hvis du visste at alle detaljer om bag kontrolløren kom fra og hvordan min hånd har nådd inn i posen, kan du finne ut hvilken farge som brikken var.

Men med elektron spinn, det fungerer ikke på den måten. Hvis det er quantum, kan du vite bokstavelig talt alt det er å vite om et system og fortsatt ikke vet om elektronet har et spinn på opp eller ned. Det er sammenhengende, state, og det er ofte tolket som betyr at elektronets spinn er både opp og ned på samme tid. Denne sammenhengen er lett å forklare matematisk, men ganske vanskelig å konstruere fysisk, siden teeny forstyrrelser fra omverdenen kan føre til at partikler som å plukke og bosette seg i et spinn.

Diamanter med nitrogen atomer byttet ut med karbon-atomene har en leftover elektron og et hull i gitteret struktur. Dette hullet kan ta på medfødte egenskaper, som det kan danne en sammenhengende quantum staten. Det kan også komplisere med andre hull—dette er typen som sammenheng, men i stedet for å være i stand til å entydig beskrive en enkelt partikkel, flere partikler få blåst opp i den samme matte, og kan ikke beskrives uten hverandre.

Til slutt, forskere ønsker å bygge databehandling enheter der data kan kodes på ett spinn, sett av sammenhengende spinn, og setter avviklet spins. I et slikt paradigme, du ønsker å ha den kvante-datamaskiner å kommunisere med hverandre—å lage noe tilsvarende til en quantum internett. Kanskje du kan oversette quantum statlig informasjon til å flytte ting, som et lys som partikler, kalt et foton.

Men de nitrogen-ledighet diamanter lide fra en ulempe når du prøver å oversette spinn data til informasjon på et foton—når de sender ut fotoner, de er ikke alle det samme frekvens eller farge. De er uforutsigbare. Forskere kunne kanskje overvinne denne ulempen med en silisium-ledighet diamant.

“En god spinn-foton-grensesnitt bør alltid avgir fotoner av det samme, vel-definert frekvens, med en svært lav usikkerhet. Dessverre, 97 prosent av fotoner som sendes ut fra [nitrogen ledighet] er ledsaget av diamant gitter vibrasjoner som forskyve frekvensen til fotonet fra ønsket frekvens, som gjorde dem ubrukelige for quantum nettverk oppgaver,” Mihir Bhaskar, en graduate student ikke er involvert i studien, fortalte Gizmodo.

Men, mens andre har skapt silicon-ledighet diamanter før, er dette papiret tar det et skritt videre. “I dette arbeidet, forfatterne viser at [silicon-ledighet diamond] avgir fotoner av en godt definert og stabil frekvens, noe som gjør det til et lovende spinn-foton-grensesnittet.” Forfatterne bevise dette ved å produsere sine diamond og utføre en rekke tester og målinger med lys.

Dette er ikke et stort steg nærmere en quantum internett, selvfølgelig. En annen studie, som ennå ikke er fagfellevurdert, påpekte at diamond ikke avgir oversatt lys veldig sterkt, med mindre det er under mye press, kanskje 10 000 ganger press av luft på Jordens overflate. Sa Bhaskar: “Den nødvendige belastningen utvikling av diamond presenterer en stor utfordring for å innlemme SiV0 i fremtidens teknologi.”

I disse tidlige dager av kvante-datamaskiner, er det vanskelig å si hva slags teknologi vil holde seg. Men de som gjør det vil sannsynligvis være ganske merkelig, og kan dra nytte av høyt utviklet, merkelig quantum-systemer, som silisium-fylt diamanter.

[Naturvitenskap]


Date:

by