Berlian Sintetis Memimpin Tim Princeton ke Terobosan Enkripsi Quantum

Menyimpan bit informasi kuantum, atau qubit, jauh lebih sulit daripada menyimpan digit biner biasa. Ini bukan hanya satu atau nol, tetapi seluruh jajaran superposisi kuantum halus di antara mereka. Elektron dapat dengan mudah meluncur keluar dari negara-negara tersebut jika tidak disimpan dalam bahan yang tepat, itulah sebabnya insinyur listrik di Princeton bekerja sama dengan pabrikan Inggris untuk membuat bahan penyimpanan yang lebih baik - berlian sintetis - dari awal. Mereka menerbitkan akun kesuksesan mereka pada hari Kamis di Ilmu.

Selama beberapa dekade, fisikawan, insinyur bahan, dan lainnya telah berusaha untuk mencapai janji konseptual komunikasi terenkripsi kuantum karena data yang ditransfer dalam proses itu secara teoritis kebal terhadap pengawasan rahasia. Setiap upaya untuk mengamati bahwa data di antara para pihak - à la the Heisenberg Principle Principle - secara fundamental akan mengubah informasi itu, dengan cepat mengungkapkan bahwa informasi itu dikompromikan. Masalahnya adalah menyimpan dan melestarikan qubit dan kemudian mengubahnya menjadi foton yang siap serat optik, dan menggunakan berlian tampaknya menjadi rute untuk mencapai keduanya. Tetapi bukan sembarang berlian yang dapat digunakan, itulah sebabnya tim Princeton bekerja keras untuk menciptakan yang sintetis, seperti yang mereka gambarkan dalam makalah mereka.

"Properti yang kami targetkan adalah apa yang relevan untuk jaringan kuantum," kata insinyur listrik Nathalie de Leon Terbalik. Di Princeton, di mana de Leon adalah asisten profesor, fokus timnya pada dasarnya adalah menciptakan perangkat keras kuantum. "Ini aplikasi tempat Anda menginginkan sesuatu yang memiliki waktu penyimpanan lama, dan kemudian juga memiliki antarmuka yang baik dengan foton sehingga Anda dapat mengirim cahaya dari jarak yang sangat jauh."

Interaksi fotonik sangat penting bagi komunikasi internasional berkecepatan tinggi karena semua informasi yang bepergian bersama kabel serat optik bergerak melalui infrastruktur global kita sebagai foton terpisah - melaju dengan kecepatan cahaya 69 persen. (Bagus.)

"Itu menempatkan banyak kendala pada karakteristik optik," kata de Leon. “Sebagai salah satu contoh, sangat penting bahwa warnanya stabil. Jika warna foton melonjak dari waktu ke waktu, maka itu benar-benar buruk untuk protokol ini."

Saat ini, kelompok de Leon sedang mencoba untuk membuat versi berlian sintetis ini yang dapat dikonversi ke panjang gelombang 1.550-nanometer standar di mana foton sekarang melintasi kabel serat optik. Saat ini, berlian sintetis timnya mendukung panjang gelombang foton 946-nanometer. (Foton "warna" adalah sedikit eufemisme di sini karena kedua panjang gelombang ini adalah nuansa inframerah di luar spektrum yang terlihat.)

Rintangan yang baru saja berhasil dilewati oleh timnya adalah menyimpan qubit-qubit itu dalam pengulang kuantum kristal, mirip dengan pengulang yang saat ini digunakan untuk mencegah kehilangan dan degradasi sinyal dalam komunikasi serat optik saat ini. Langkah penting dalam proses ini adalah memproduksi berlian sintetis dengan sesedikit mungkin pengotor yang tidak diinginkan (terutama nitrogen) dan lebih banyak pengotor yang sebenarnya mereka inginkan (silikon dan boron).

"Nitrogen ternyata menjadi cacat utama yang Anda dapatkan di berlian ini," kata de Leon. Mitra kelompoknya di pembuat berlian Inggris Element Six harus menciptakan kondisi vakum di atas rata-rata karena bahkan vakuum biasa dapat meninggalkan cukup nitrogen di dalam kamar untuk mencemari kristal buatan buatan. Karena nitrogen memiliki satu elektron lebih bebas daripada karbon, kotoran nitrogen mengganggu susunan listrik unik yang diharapkan para peneliti.

Cacat kecil lainnya dapat merusak potensi penyimpanan qubit dari berlian ini juga.Tujuannya adalah untuk memiliki pasangan lowongan berukuran atom dalam kerangka kristal bersama dengan atom silikon tersubstitusi di mana karbon tunggal dulu, tetapi kadang-kadang pasangan itu dapat berkumpul bersama dalam "cluster kekosongan" yang mulai mendistribusikan kembali elektron mereka dengan mengganggu, cara kontraproduktif. Kadang-kadang kerusakan polishing dan etsa pada permukaan berlian juga dapat menyebabkan efek domino, mengacaukan pola elektron ini juga. Di sinilah menambahkan boron - yang memiliki satu elektron bebas kurang dari karbon - dapat membantu.

"Apa yang harus kami lakukan," kata de Leon, "keduanya dimulai dengan berlian kemurnian sangat tinggi ini dan kemudian tumbuh di beberapa boron untuk menyerap sebagian besar elektron ekstra yang tidak dapat kita kendalikan. Lalu ada banyak pemrosesan bahan - hal-hal yang membosankan seperti anil termal dan perbaikan permukaan pada akhirnya untuk memastikan bahwa kami masih menyingkirkan banyak jenis cacat lain yang memberi Anda biaya tambahan."

Menguasai kedua tantangan ini, banyak di tersangka lapangan, adalah kunci untuk berfungsi penuh dan hampir tidak mungkin untuk memecahkan enkripsi kuantum.

Sebelum fajar berlian sintetis hanya beberapa tahun yang lalu, para peneliti di bidang optik kuantum harus bergantung pada berlian alami untuk melakukan pekerjaan mereka - satu berlian tertentu, khususnya.

Menurut de Leon, semua orang di bidang optik kuantum harus bergantung pada berlian tunggal buatan alami dari Rusia yang kebetulan memiliki persentase boron, nitrogen, dan pengotor lain yang tepat untuk memungkinkan penelitian mereka. Potongan-potongan berlian itu dibelah dan didistribusikan ke kelompok penelitian di seluruh dunia.

"Banyak kelompok memiliki sepotong kecil berlian 'sihir' Rusia mereka sendiri," seperti yang dikatakan de Leon kepada kantor berita in-house Princeton pada 2016. “Di Harvard, kami menyebut kami‘Magic Alice’dan Bob Magic Bob.’

Jadi, TL; DR, ilmuwan Barat menjadi lebih baik dalam pembuatan berlian komputasi kuantum magis mereka sendiri daripada bergantung pada sepotong berlian komputasi kuantum magis Rusia. Ini adalah kalimat faktual yang terdengar konyol. Klasik 2018.