Den SiV0 diamondPhoto: Brendon Rose
“Diamonds are forever” er en kliché, der ikke fuldt ud at indkapsle de mange mærkelige egenskaber af ruder. Men en ny form af diamant, man fyldt med urenheder, er baseret på en form for foreverness, der kan være nyttige i fremtiden quantum teknologi—måske endda et kvante-internet.
Der sandsynligvis lyde meningsløs, så lad os bakke op. Diamanter er bare gitre, hvor hvert carbonatom obligationer til fire tilstødende kulstofatomer, hvilket gør et stærkt netværk. Forskere har fundet interessante anvendelser for diamanter ved at bytte nogle af kulstofatomer for kvælstof—som gør en gang krystal, for eksempel. Et nyt eksperiment i stedet byttet nogle af de kul til silicium atomerne, oprettelse af silicium-ledig diamanter, der vil kunne bidrage til potentielt nyttige quantum systems.
“Vi viser, at gennem omhyggelig materialer, teknik, vi er i stand til at afdække meget kohærente optiske og spin egenskaber SiV0,” forfatterne, ledet af Nathalie de Leon, assistant professor ved Princeton, skrev i den undersøgelse, der er offentliggjort i Science. Dybest set, disse diamanter har egenskaber, der gør dem nyttige for sammenkobling af kvante computere sammen.
Når jeg siger “quantum” jeg dybest set mener “adlyder de mærkelige regler af kvantemekanik.” Lad os først tænke på den egenskab, der kaldes spin. Elektroner kan have en tur på enten op eller ned, til den måde, en brik brik kan være enten rød eller sort. Hvis jeg gav dig en brik, mens dine øjne var lukkede, du ikke ville vide af sin farve—men teoretisk set, hvis du vidste alle detaljer om bag de checker kom fra, og hvordan min hånd nåede ind i posen, kan du finde ud af, hvilken farve den checker var.
Men med elektron-spin, det virker ikke på den måde. Hvis det er quantum, kan du vide, bogstaveligt talt alt, hvad der er at vide om et system, og stadig ikke vide, om den elektron har en spin op eller ned. Det er den sammenhængende stat, og det er ofte fortolkes således, at elektron-spin er både opad og nedad på samme tid. Denne sammenhæng er let at forklare matematisk, men temmelig svært at konstruere fysisk, da teeny forstyrrelser fra omverdenen kan forårsage partikler til at samle og bosætte sig i et spin.
Diamanter med nitrogen atomer byttet for kulstof-atomer har en rest elektron og et hul i gitter-struktur. Dette hul kan tage på medfødte egenskaber, som den kan danne en sammenhængende quantum state. Det kan endda vikle med andre huller—dette er en form for sammenhæng, men i stedet for at være ude af stand til endegyldigt at beskrive en enkelt partikel, flere partikler får fejet op i den samme matematik, og kan ikke beskrives uden hinanden.
I sidste ende, forskere ønsker at opbygge computing-enheder, hvor data kan være kodet på enkelt spin, sæt af sammenhængende spins, og sæt filtret spins. I sådan et paradigme, du gerne vil have den kvante-computere, der kommunikerer med hinanden—at skabe noget i stil med et kvante-internet. Måske kan du oversætte quantum state oplysninger til en bevægende ting, som en lys partikel, kaldet en foton.
Men dem, der er kvælstof-ledig diamanter lider af en ulempe, når du forsøger at oversætte spin data til information om en foton, når de udsender fotoner, de er ikke alle det samme hyppighed eller farve. De er uforudsigelige. Forskere kunne man måske overvinde denne ulempe med en silicium-ledig diamant.
“En god spin-foton interface bør altid udsender fotoner af det samme, veldefineret frekvens, med en meget lav usikkerhed. Desværre, 97 procent af fotoner, der udsendes af [kvælstof stillingsopslag] er ledsaget af diamant gitter vibrationer, der flytter frekvensen af fotonen fra den ønskede frekvens, der gør dem ubrugelige for quantum netværk opgaver,” Mihir Bhaskar, en ph.d. – studerende, der ikke deltager i undersøgelsen, fortalte Gizmodo.
Men, mens andre har skabt silicium-ledig diamanter før, er dette papir tager det et skridt videre. “I dette arbejde, forfatterne viser, at [silicium-ledig diamond] udsender fotoner med en veldefineret og stabil frekvens, hvilket gør det til en lovende spin-foton-grænsefladen.” Forfatterne bevise dette ved at producere deres diamant, og som udfører en række undersøgelser og målinger med lys.
Dette er ikke et stort spring tættere på en kvante-internet, selvfølgelig. En anden undersøgelse, som endnu ikke er blevet peer-reviewed, påpegede, at diamanten ikke udleder den oversatte lys meget smukt, medmindre det er under et stort pres, måske 10.000 gange trykket af luft på Jordens overflade. Sagde Bhaskar: “Den krævede belastning engineering af diamant præsenterer en stor udfordring for at indarbejde SiV0 i fremtidige teknologier.”
I disse tidlige dage af kvante computere, er det svært at sige, hvilke teknologier vil holde sig. Men dem der gør, vil sandsynligvis være temmelig underligt, og kan drage fordel af stærkt manipuleret, det er mærkeligt, kvantemekaniske systemer, som silicium fyldt med diamanter.
[Videnskab]