Το AWS χρησιμοποιεί διαμάντια για κβαντική μνήμη

Σχεδόν πριν από ένα χρόνο, η Amazon Web Services (AWS) ανακοίνωσε ότι συνεργάζεται με το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ για να δοκιμάσει και να αναπτύξει ένα κβαντικό δίκτυο. Στα τέλη Ιουνίου του τρέχοντος έτους, η AWS άνοιξε τα εργαστήριά της και επέτρεψε σε μέσα ενημέρωσης, συμπεριλαμβανομένων

Λαϊκή Επιστήμη

κοιτάξτε τα πρώτα μοντέλα ενός κβαντικού επαναλήπτη, ο οποίος είναι παρόμοιος με έναν κλασικό ενισχυτή που μεταφέρει οπτικά σήματα κάτω από μεγάλες εκτάσεις ινών.

«Αναπτύσσουμε την τεχνολογία για κβαντικά δίκτυα. Δεν έχουν ψηθεί πλήρως», λέει η Antia Lamas-Linares, επικεφαλής του AWS Center for Quantum Networking. «Υπάρχουν πολλές από αυτές τις τεχνολογίες που έχουν αποδειχθεί εν μέρει σε ακαδημαϊκά εργαστήρια που χρειάζονται ακόμη αρκετή ανάπτυξη για να φτάσουμε σε αυτό που ονομάζουμε ένα πλήρες κβαντικό δίκτυο».

Ποιο είναι λοιπόν το νόημα αυτού του είδους τεχνολογίας; Ένα κβαντικό δίκτυο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη διανομή κρυπτογραφικών κλειδιών χωρίς να χρειάζεται να περάσει από ένα ενδιάμεσο μέρος ή να δημιουργήσει ανώνυμες εκπομπές πολλών χρηστών.

Οι προκλήσεις της δημιουργίας ενός κβαντικού δικτύου

Σε ένα κβαντικό δίκτυο, αντί να επικοινωνούν με κλασικά bit που είναι ένα ή μηδέν, απενεργοποιημένα ή ενεργοποιημένα, υπάρχουν κβαντικά bit, ή qubits, που μπορούν να βρίσκονται σε υπέρθεση ενός και μηδέν ταυτόχρονα. Οι επιστήμονες υπολογιστών μπορούν να μπερδέψουν αυτά τα qubits και να επωφεληθούν από τις κβαντικές ιδιότητές τους για να πραγματοποιήσουν ενδιαφέροντες υπολογισμούς που θα ήταν δύσκολοι, με ένταση πόρων ή αδύνατο να γίνουν κλασικά.

Όμως, παρόμοια με τα κλασικά συστήματα, για να έχει ένα δίκτυο, η ομάδα πρέπει να είναι σε θέση να δημιουργήσει τα qubits, να τα μετακινήσει και να τα αποθηκεύσει. Και ένας πολύ καλός τρόπος για να τα μετακινήσετε είναι με φωτόνια, ή

κομμάτια φωτός

, εξηγεί ο Nicholas Mondrik, επιστήμονας κβαντικής έρευνας στο AWS. Ταξιδεύουν καλά και «μπορείτε, με λίγη εξυπνάδα, να κωδικοποιήσετε το qubit σας σε ένα φωτόνιο», λέει.

[Related:


Chicago now has a 124-mile quantum network. This is what it’s for.


]

Το φως χρησιμοποιείται ήδη στα κλασικά συστήματα οπτικών ινών για τη μεταφορά πληροφοριών σε μεγάλες αποστάσεις. Το πρόβλημα με αυτή τη μέθοδο είναι ότι μετά από περίπου 62 μίλια, τα πράγματα αρχίζουν να γίνονται ασταθή. Εκεί μπαίνουν στο παιχνίδι οι οπτικοί ενισχυτές. Μπορούν να ανιχνεύσουν πότε το φως εξασθενεί και να το ενισχύουν πριν το στείλουν στη γραμμή. Ωστόσο, ο οπτικός ενισχυτής και άλλες συσκευές που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση του σήματος φωτός αναγκάζουν αυτό το φως να κάνει μια επιλογή μεταξύ ενός ή μηδενός, λέει ο Mondrik, και κάτι τέτοιο θα καταστρέψει τις κβαντικές πληροφορίες που μεταφέρονται στο φωτόνιο.

Μία από τις βασικές καινοτομίες που έχει δημιουργήσει το AWS είναι ένα κβαντικό ισοδύναμο ενός ενισχυτή σήματος, που ονομάζεται κβαντικός επαναλήπτης.

Τα διαμάντια είναι ο καλύτερος φίλος ενός κβαντικού ερευνητή

Για να φτιάξουν έναν κβαντικό επαναλήπτη, έπρεπε πρώτα να καταλάβουν πώς να φτιάξουν κβαντική μνήμη – κάτι που μπορεί να αποθηκεύσει ένα qubit. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να πιάσει το εισερχόμενο φωτόνιο και να επιτρέψει την επεξεργασία του, πριν το στείλει στο δρόμο του. Η λύση: συνθετικά διαμάντια «κβαντικής ποιότητας».

«Μέσα στη δομή των διαμαντιών, μερικές φορές έχετε ελαττώματα. Μερικές φορές παίρνετε διαμάντια που δεν είναι διαφανή, που έχουν χρώματα και αποχρώσεις. Αυτά τα πράγματα ονομάζονται χρωματικά κέντρα και είναι ακαθαρσίες στο διαμάντι», λέει ο Lamas-Linares. «Αποδεικνύεται ότι αυτές οι ακαθαρσίες συμπεριφέρονται σαν ένα τεχνητό άτομο και μπορείτε να τις χρησιμοποιήσετε για να αποθηκεύσετε την κατάσταση ενός φωτονίου. Αυτά τα ενδιαφέροντα χρώματα είναι αυτά που μας επιτρέπουν να συνδεθούμε με το φως και να αποθηκεύσουμε την κατάσταση του ιπτάμενου qubit και να χειριστούμε αυτήν την κατάσταση».

Ο τρόπος για να κάνετε το διαμάντι κατάλληλο για αποθήκευση φωτονίων είναι πρώτα να δημιουργήσετε “

κενές θέσεις πυριτίου

.» Για να γίνει αυτό, οι ερευνητές παίρνουν ένα διαμάντι που είναι όσο το δυνατόν καθαρότερος άνθρακας και βομβαρδίζουν το πλέγμα άνθρακα με άτομα πυριτίου. Αυτά τα άτομα πυριτίου θα εξαφανίσουν μερικούς άνθρακες, θα πάρουν τη θέση τους και θα συμπεριφέρονται ως σταθερό άτομο στο πλέγμα διαμαντιών που μπορεί να αλληλεπιδράσει με φωτονικά qubits μέσω ηλεκτρονίων.

Για να οδηγήσουν το φωτόνιο στο ηλεκτρόνιο του ατόμου του πυριτίου, οι ερευνητές κατασκεύασαν νανοκοιλότητες γύρω από την κενή θέση πυριτίου που ουσιαστικά λειτουργεί σαν ένα σύνολο κατόπτρων που κατευθύνουν το φως εκεί που πρέπει να πάει.

Για να λειτουργήσει αυτή η διαδικασία, η ομάδα πρέπει να σταματήσει τη δόνηση της δομής του διαμαντιού. το κάνουν αυτό ψύχοντάς το σχεδόν στο απόλυτο μηδέν. Η συσκευή που χρησιμοποιούν για να το κάνουν αυτό είναι ο ίδιος συνδυασμός αραίωσης πολυελαίου ψυγείου-κενού-θερμικής ασπίδας που χρησιμοποιείται για υπεραγώγιμους κβαντικούς υπολογιστές. Αλλά αυτή η υποδομή είναι σημαντικά μικρότερη (περίπου το μισό μέγεθος) και η προσάρτηση της ουράς είναι εντελώς διαφορετική.

“Εδώ είναι η κενή θέση πυριτίου, όπου ζει αυτή η μνήμη διαμαντιών”, λέει ο Mondrik. «Για να κάνετε τις κενές θέσεις πυριτίου να λειτουργούν ως κβαντική μνήμη, ως qubit, πρέπει να τις βάλετε σε ένα ισχυρό συντονισμό μαγνητικό πεδίο». Επομένως, υπάρχουν πρόσθετες δομές στο κάτω μέρος του πολυελαίου που επιτρέπουν την προσάρτηση ενός υπεραγώγιμου μαγνήτη πριν τοποθετηθεί η θερμική ασπίδα στο εξωτερικό.

Υπάρχει επίσης μια πιεζοηλεκτρική στοίβα που βοηθά τους ερευνητές να κατευθύνουν τα πράγματα, μια γραμμή μικροκυμάτων που τους βοηθά να χειριστούν το qubit, μια οπτική ίνα που μεταφέρει φως στην κοιλότητα του διαμαντιού και ένα σύστημα απεικόνισης μικροσκοπίου που εκτείνεται από το κάτω μέρος του πολυελαίου προς την κορυφή για να αφήστε τους ερευνητές να δουν τι κάνουν.

Αλλά δεν γίνεται όλη η επιστήμη στο ψυγείο αραίωσης. Υπάρχουν επίσης χώροι εργασίας σε θερμοκρασία δωματίου που σταθμεύουν γύρω από το εργαστήριο όπου κατασκευάζονται, μετρώνται και χαρακτηρίζονται τα qubits.

Στην τωρινή του μορφή, η κατασκευή όπου όλα τα διαφορετικά εξαρτήματα ενώνονται φαίνεται σαν μια περίπλοκη συναρμολόγηση συρμάτων, μετάλλων και φακών. Αλλά τελικά, η ομάδα θέλει να συμπιέσει αυτήν την τεχνολογία σε ένα μοναδικό, προσαρμόσιμο κομμάτι υλικού που μπορούν να μεταφέρουν και να αποθέσουν σε οποιονδήποτε τύπο κβαντικής συσκευής υπολογιστών.