Synthetic Diamonds conduce il team Princeton alla svolta della crittografia quantistica

La memorizzazione di bit quantistici di informazioni, o qubit, è molto più difficile rispetto alla memorizzazione di cifre binarie ordinarie. Non sono semplicemente gli uni o gli zeri, ma l'intera gamma di superposizioni quantistiche sottili tra loro. Gli elettroni possono facilmente scivolare fuori da quegli stati se non sono conservati nei materiali giusti, motivo per cui gli ingegneri elettrici di Princeton stanno lavorando con un produttore britannico per creare un materiale di stoccaggio migliore, diamanti sintetici, da zero. Hanno pubblicato un resoconto del loro successo giovedì a Scienza.

Per decenni, fisici, ingegneri dei materiali e altri hanno cercato di ottenere la promessa concettuale delle comunicazioni crittografate con quantistica perché i dati trasferiti in quel processo sono teoricamente immuni alla sorveglianza segreta. Qualsiasi tentativo di osservare quei dati tra le parti - secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg - altererebbe sostanzialmente quell'informazione, rivelando rapidamente che era compromessa. Il problema è stato archiviare e preservare i qubit e quindi convertirli in fotoni pronti per la fibra ottica, e l'utilizzo di diamanti sembra essere la strada verso il raggiungimento di entrambi. Ma non solo un diamante lo farà, ed è per questo che il team di Princeton ha lavorato duramente per creare uno sintetico, come descritto nel loro articolo.

"Le proprietà che stiamo prendendo di mira sono ciò che è rilevante per le reti quantistiche", dice l'elettrotecnico Nathalie de Leon Inverso. A Princeton, dove de Leon è un assistente professore, il focus della sua squadra è essenzialmente quello di inventare l'hardware quantistico. "Sono le applicazioni in cui si desidera qualcosa che ha un lungo tempo di archiviazione, e quindi ha anche una buona interfaccia con i fotoni in modo da poter inviare luce su distanze molto lunghe".

Le interazioni fotoniche sono importanti per le comunicazioni internazionali ad alta velocità perché tutte le informazioni che viaggiano lungo i cavi in ​​fibra ottica attraversano la nostra infrastruttura globale come fotoni discreti, con una velocità pari al 69 percento della velocità della luce. (Bello.)

"Ciò pone molti vincoli sulle caratteristiche ottiche", afferma de Leon. "Ad esempio, è molto importante che il colore sia stabile. Se il colore del fotone sta saltando nel tempo, allora questo è davvero pessimo per questi protocolli."

In questo momento, il gruppo di de Leon sta cercando di creare una versione di questi diamanti sintetici in grado di convertire la lunghezza d'onda standard di 1.550 nanometri su cui i fotoni ora attraversano i cavi in ​​fibra ottica. Attualmente, i diamanti sintetici della sua squadra supportano lunghezze d'onda del fotone di 946 nanometri. (Photon "color" è un po 'un eufemismo qui poiché entrambe queste lunghezze d'onda sono sfumature di infrarossi al di fuori dello spettro visibile).

L'ostacolo che il suo team è riuscito a superare è la memorizzazione di quei qubit in ripetitori quantici cristallini, simili ai ripetitori attualmente utilizzati per prevenire la perdita e il degrado del segnale nelle odierne comunicazioni in fibra ottica. Il passaggio fondamentale in questo processo è stato la produzione di diamanti sintetici con il minor numero possibile di impurità indesiderate (l'azoto, principalmente) e una quantità maggiore di impurità che effettivamente volevano (silicio e boro).

"L'azoto si rivela essere il difetto predominante che si ottiene in questi diamanti", afferma de Leon. I soci del suo gruppo al produttore britannico di diamanti Element Six hanno dovuto creare condizioni di vuoto superiori alla media, dal momento che anche i normali vuoti possono lasciare abbastanza azoto nella camera per contaminare i cristalli artificiali. Poiché l'azoto ha un elettrone libero in più del carbonio, le impurità dell'azoto disturbano l'esclusivo trucco elettrico che i ricercatori sperano.

Altri piccoli difetti possono minare il potenziale di memorizzazione di qubit di questi diamanti. L'obiettivo è quello di avere coppie di posti vacanti di dimensioni atomiche nel quadro di cristallo accanto a un atomo di silicio sostituito dove un tempo si usava un solo carbonio, ma a volte quelle coppie possono raggrupparsi insieme in "grappoli liberi" che iniziano a ridistribuire i loro elettroni in fastidioso, modi controproducenti. A volte il danneggiamento e l'incisione di danni sulla superficie del diamante possono anche causare un effetto domino, incasinando anche questo schema di elettroni. Questo è dove l'aggiunta di boro - che ha un elettrone libero in meno rispetto al carbonio - può aiutare.

"Quello che dovevamo fare", afferma de Leon, "è che entrambi iniziano con questo diamante ad altissima purezza e poi crescono in alcuni boro per assorbire praticamente tutti gli elettroni extra che non siamo in grado di controllare. Poi c'è stata molta lavorazione dei materiali - roba noiosa come la ricottura termica e la riparazione della superficie alla fine per assicurarci che ci libereremmo ancora di questi altri tipi di difetti che ti danno costi extra ".

La padronanza di entrambe queste sfide, molte delle quali sospette sul campo, sono le chiavi per una crittografia quantistica completamente funzionale e quasi impossibile da decifrare.

Prima degli albori dei diamanti sintetici, solo pochi anni fa, i ricercatori nel campo dell'ottica quantistica dovevano fare affidamento su diamanti naturali per fare il loro lavoro - un diamante specifico, in particolare.

Secondo de Leon, tutti nel campo dell'ottica quantistica dovevano fare affidamento su un singolo diamante di fabbricazione naturale proveniente dalla Russia, che aveva la giusta percentuale di boro, azoto e altre impurità per rendere possibile la loro ricerca. Frammenti di diamante sono stati staccati e distribuiti a gruppi di ricerca in tutto il mondo.

"Molti dei gruppi avevano il loro piccolo pezzo del diamante russo" magico ", come ha dichiarato de Leon nel servizio giornalistico interno di Princeton nel 2016." A Harvard, abbiamo chiamato la nostra "Alice magica" e "Magic Bob"."

Quindi, TL; DR, gli scienziati occidentali stanno migliorando la produzione dei propri diamanti magici di calcolo quantico invece di dipendere dalle scaglie del diamante magico della matematica quantistica russa. Questa è una frase di fatto che sembra ridicola. Classico 2018.