מבוא לתקשורת קוונטית ותפקיד החומרים

תקשורת קוונטית רותמת את חוקי מכניקת הקוונטים כדי לאפשר העברת נתונים מאובטחת כי היא חסין תיאורטית לייבוש.בניגוד הצפנה קלאסית, אשר מסתמכת על מורכבות מתמטית, התפלגות מפתח קוונטית (QKD) משתמשת במדינות צילום בודדות כדי לזהות יירוט.הדוח הגלובלי עבור רשתות מבוססות קוונטיות-בטוחות יש להאיץ מחקר לתוך הרכיבים הפיזיים שהופכים מערכות מעשיות.

מימוש אינטרנט קוונטי עולמי דורש רכיבים שיוצרים, מניפולציות, חנות, וזיהוי מצבים קוונטיים עם נאמנות גבוהה.אין שום חומר אחד מספק את כל הדרישות; לכן, החוקרים חוקרים קבוצה מגוונת של פלטפורמות, כל אחד מציע זרמי מסחר ייחודיים.השדה מתפתח במהירות, עם פריצות דרך בסינטציה חומרית, הנדסה, ואינטגרציה היברידית נפתחת חדשה.

חומרים מורכבים

המוליכים היו כבר זמן רב אבן הפינה של טכנולוגיות קוונטיות בשל יכולתם לנהל חשמל ללא התנגדות ולתמוך במדינות הקוונטיות של מאקרוסקופיות. בתקשורת קוונטית, הם משמשים בעיקר לגלולים פוטוניים בודדים, זיכרונות קוונטיים, ואלמנטים מעגליים QED.ההההההה חסרת האובדן של אותות מיקרוגל בהנחמות גל ו resonators מאפשר קריאה נמוכה והפיכה של הפיכה.

סופר-מוליכים מתח גבוה

מוליכים על קונבנציונאליים כגון niobium דורשים קירור Cryogenic לטמפרטורות ליד 4K, אשר מוסיף עלות משמעותית ומורכבות. גבוה-temperature superconductors (HTS) כמו ytrium barium נחושת חד-חמצני (YBCO) וסיבים דו-תמיים של סידן נחושת (BSCCO) יכולים לפעול בטמפרטורות חנקן נוזלי (K77) או גבוה יותר.

למרות ההתקדמות, אתגרים נשארים. HTS חומרים להציג anisotropy ו granularity שיכול להציג רעש, ותבניות אותם למכשירים ננומטריים דורש אופטימיזציה של תהליך זהיר.על עבודה מתמשכת שואפת לשפר את אחידות הסרט ולהקטין פגמים באמצעות bu שכבת bu שכבת הנדסה ופענוח לייזר הדופק.הפיתוח של HTS מבוסס קוונטים חוזר ו baogenic זיכרון buffers הוא אזור פעיל של חקר.

צומת יוסף ומעגל QED

צומת יוסף הם אבני הבניין של qubits ו ametric amplifiers המשמשים בתקשורת קוונטית. על ידי כריכת מחסום דק מוליכים בין שני superconductors, a nonlinear inductance עולה כי מאפשר בקרת המדינה של qubit כמו אלומיניום-aluminum הם סטנדרטיים, אבל העבודה האחרונה חקר חנקן ו- HTS כדי לשפר את הפחתת רמות.

הסרט דקר ו-Salability

מרכיבים מורכבים ממכשירים בודדים כדי לשלב מעגלים משולבים דורשות דיוק-סרטון על אזורים בקנה מידה wfer-scale.טכניקות כגון beam Epitaxy, sputtering, ו שכבת אטומית deposition הם מעודן כדי לייצר סרטים הומוגניים עם התנגשויות פגומות נמוך.היכולת לשלב גלאיים על מוליכים באופן חד-כימטי עם גלכיפטומטי הוא ציון דרך בינוני של 50 תזמון נמוך.

2 חומרים (2D)

המשפחה של חומרים דו-ממדיים, המאופיינת על ידי שכבות דקות אטומיות המוחזקים יחד על ידי כוחות ואן דר וואלאס, מציעה תכונות אופטיות ואלקטרוניות מדהימות עבור פוטוניקה קוונטית.הדקנות הקיצונית שלהם מפחיתה את נפח הצורה של מבנים פוטוניים, בעוד אינטראקציה חזקה שלהם אור-חומר מאפשר יעילות פליטה חד-פעמית יחיד-פוטן ולא לינארי אפקטים אופטיים.

Graphene

Graphene, שכבה אחת של אטומי פחמן, הוא סמימט עם ניידות גבוהה נושאת וקליטת פס רחב אופטית. בתקשורת קוונטית, גרפן משמש עבור סימולטורים אלקטרו-אופטיקה במהירות גבוהה גלאי צילום יחיד. Graphene-up רחב photodetectors יכול להשיג רוחב פס מעל 200 GHz, מה שהופך אותם מתאימים עבור גבוהה- QKD עבודה לאחרונה הוכיחה גרפים מבוססי photo-car-ton-ampen כי הם דורשים כיום תהליכים גמישים עם קומפקטיים עם קומפקטיים עם קומפקטיים עם קומפקטיים עם קומפקטיים משמעותיים קומפקטיים עם קומפקטיים.

יתר על כן, plasmons גרפן מציעים מסלול לעוצמה גבוהה של אור, המאפשר מעגלים קוונטיים של שותפים אולטרה שותפים. חוקרים הראו כי ננובונים גרפן יכול לארח plasmons קצה המשמר קוהרנטיות קוונטית על פני מרחקים מיקרון, פוטנציאל לשמש אוטובוס עבור מידע קוונטי.

Metal Dichalcogenides (TMDs)

Monolayer TMDs כגון Molybdenum disulfide (MoS2), tungsten disulfide (WS2), ו tungsten diselenide (WSe2) הם ישירות פסגהp חצי מוליכים עם פליטה רבת מפוזיאנית חזקה.הם באופן טבעי פולטים בודדים על מונוטרים או באתרי תאורה מתוחים, עם גל פליטות גלוי להחלפה גבוהה של 10Dn אחד.

נכס ייחודי אחר של TMDs הוא קיטוב עמק, שבו תואר עמק המוביל של חופש יכול לשמש קצת קוונטי. על ידי טיפול אופטי באינדקס עמק, החוקרים הוכיחו את נקודות הירכיים מבוסס עמק עם זמנים קוהרנטיות ארוכות. integrating TMD עמק qubits עם ננופוטניקה cavnic כי אפשר דור אחד-תצלום יחיד, דרישה מרכזית עבור רשתות קוונטיות.

Hexagonal Boron Nitride (hBN)

hexagonal בורון nitride, חומר ממריץ 2D, מארח מגוון של פגמים אטומיים שפועלים כ פולטים חד-פעמיים בהירים, יציבים של פוטונים על פני אולטרה סגולה, גלויים, וקרוב ל-infrared גל אורכי גל.אלה יכולים להיות מבוססים על ידי אלקטרונים דלקת מפרקים או ionation, ומאפשרים מיקום מכריע (בניגוד ל-DTMD), פולטים, פולטים, לפעול בספירהכולהכולה בספירה של מערכת הפעלה מרחוק, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, בין אם יש צורך לחקור באופן דרסטי של אלקטרו-D-D-D-D-D-D, כאשר הם נתונים, בין אם יש צורך, בין אם הם קיימים, בין אם יש צורך בטמפרטורות חופשי מורכבות, בין השאר, בין השאר, בין השאר, בין אם יש צורך לבחון באופן דרסטיות, בין השאר, בין שני, בין שני, לבין מערכות אבטחה, בין שני, לבין מורכבות, לבין מורכבות, לבין מורכבות, בין השאר, בין שני, לבין מורכבות, לבין מורכבות, לבין מערכות אבטחה, לבין מורכבות, לבין קרינת אבטחה.

השילוב של פולטי hBN עם מודטים גל פוטוניים סיליקון ו resonators טבעת הוכח, המאפשר על chip routing של אור קוונטי.עם זאת, שליטה על אורך הגל הפליטה וצמצום הטבוליות ספקטרלית נשאר אתגרים.מתודולוגיות כגון מתח ויישומים שדה חשמלי מקומי מפותחים כדי להתגבר על מגבלות אלה.

אתגרים ל 2D חומרים

בעוד חומרים 2D מציעים ביצועים יוצאי דופן, שילוב בקנה מידה גדול שלהם לתוך רכיבי תקשורת קוונטיים עומדים בפני מכשולים. טכניקות העברה כגון exfoliation מכני ו apor deposition (CVD) לייצר פיתיקים עם איכות וגודל משתנה.למרות CVD יכול לגדול מונות בקנה מידה כפול, פוליקליאליות ועיוות ביצועים.

אינסטלטורים טופולוגיים

אינסולטורים טופולוגיים (TIs) הם סוג של חומרים כי הם מחלחלים בפחם שלהם אבל לנהל חשמל באמצעות מדינות משטח מוגן טופולוגי.מדינות פני השטח האלה חסינים מפני זיהומים לא מגנטיים, מה שהופך אותם אטרקטיביים לשמירה על קוהרנטיות קוונטית.עבור תקשורת קוונטית, TIs יכול לשמש רכיבים אופטיים, כגון זוגות אופטיים, הוא צורות, או סולרי, כמו אלמנטים פעילים כמו גלאיים.

פלטפורמות חומרים: B2Se3, Bi2Te3, ו-Sb2Te3

המבודדים הטופולוגיים ביותר הם דו-סמוט סלנגל (Bi2Se3), דו-סמוט מספרד (Bi2Te3), ו- Antimony Telluride (Sb2Te3).חומרים אלה יש להקות של כ- 0.3 eV, המאפשרים מעברים אופטיים במדינות פני השטח שלהם להציג דיאק-קו-קונזין, המוביל ל-קוגניבות גבוהות יכול להיות מסוגלות.

המונחים: topological Protected Qubits

העוצמה של מדינות פני השטח מציעה גם את האפשרות של qubits מוגן טופולוגי, שבו מידע קוונטי מאוחסן ב parity של מייג'וראנה אפס מודs. בעוד מחקר רבנו התמקד במערכות היברידיות למחצה מוליכים למחצה, אינסולטורים טופולוגיים העליון בשילוב עם מוליכי על יכול גם לארח מודים מרכזיים.

אתגרים באינטגרציה וצמיחה

הפריסה המעשית של insulators טופולוגי במכשירי תקשורת דורשת סרטים דקים באיכות גבוהה עם פגמים גדולים מאוד.בולק לעתים קרובות לתרום נתיבי התנהגות מקבילים המסתתרים את פני השטח מדינות. mam מולקולרית כבר השיג סרטים עם מוליכות מוגברת על ידי הכפלת פגמים, אבל קיבולת מדרגית היא מוגבלת התקדמות לאחרונה באמצעות סמימטרים טופולוגיים גבישיים וגביסטרולוגי העליון בתאים עשויים להציע חלופות עם תכונות סיליקון משופרות כמו סיליקון סיליקון או סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון , כמו סיליקון סיליקון סיליקון קונבנציונאליות.

מערכות מבוססות Defect-Deect-based Systems: Diamond and Silicon Carbide

פגמים בקנה מידה אטומי במוליכים למחצה רחב פסגהפ הופיעו כמועמדים המובילים לזיכרון קוונטים וחזורים.מרכז חנקן-vacancy (NV) ביהלומים הוא הפלטפורמה הבוגרת ביותר, אבל מרכזי צבע ב carbide סיליקון (SiC) וחומרים אחרים צוברים מתחמת עקב תאימות שלהם עם ייצור Semiconductor.

מרכזים של Nitrogen-Vacancy (NV) ביהלומים

מרכזי NV ביהלומים הם פגמים נקודה המורכב של אטום חנקן תת-ממדי סמוך לאתר מנוף צמיגים פנוי.יש להם זמן קוהרנטיות ספין אלקטרוני ארוך (עד מילימטרים בטמפרטורת החדר) וגישה אופטית, מה שהופך אותם אידיאליים עבור זיכרונות קוונטיים ב- הקוונטים חוזרים על מצב הספין של מרכז NV יכול להיות מסבך עם תמונהn, המאפשר מרחק תקשורת קוונטית הראו דרך כמה קילומטרים של סבך מחדש.

אתגרים כוללים את השבריר הנמוכה של מרכזי NV כי הם יעילים אופטיים (רק כ 3-5% ממרכזי שנוצרו הם נסבלים) ואת הקושי בייצור גלי יהלומים גדולים-area. לעבוד על יהלום בעל כימיקלים כימיים ושתלת יון עם אנמנלינג השתפרה.שילוב מרכזי NV עם גלים פוטוניים ו cavities ביהלום המיוצר על ידי זיכרון קוונטי עם תקופות אחסון יותר.

מרכזי צבע בסיליקון Carbide (SiC)

SiC הוא מוליכים למחצה בוגרת עם תהליכי ייצור מבוססים היטב. כמה מרכזי צבע, כגון סיליקון-vacancy (VSi) ומרכזי מגוון (V), להציג תכונות דומות למרכזי NV, אך עם אורכי גל פליטה ברכיבי אלקטרוניקה הקרובים (כ-900-1100 ננומטר), אשר מתיישר עם חלונות העברת O-band ב-4HSC כבר בשימוש במיקרו-II של תמונות בגודל של C2, מכיוון ש-C של 5 פעמים, כלומר, הוא שבבים של שבבים-C, כ-C, הוא אחד, מכיוון ש-C, כ-C, כ-900 יחידות, מכיוון ש-C, הוא כבר בשימוש ב- 100- 100- 1100 N-C, כ- 100-1100 nm, אשר תואם ל- 100- 1100 nm), אשר תואם את חלונות שידורים- 100-1100 nm, אשר ספין- 100- 100- 100- 100- 100-H, אשר ספין- 100- 100- 100- 100-H, אשר ספין- 100- 100- 100- 100- 100- 100 N- 100 N- 100 N- 100 N- 100 N-H, אשר ספין- 100-

הפגנות אחרונות כוללות פולטים פוטוניים בודדים בסיציC בטמפרטורת החדר, אם כי קוהרנטיות ספין מוגבלת כיום לתנאי Cryogenic. החוקרים חוקרים בוחנים טיהור איזוטופי כדי להפחית רעש ספין-אוויר, במטרה לפעולת tempture של החדר. SiC גל ו- micro-ring resonators שימש כדי לשפר את יעילות האיסוף של photons הנפלטים, שלב חיוני עבור יעיל של רשת קוונטית ללא פגע.

קריסטלים נדירים לכדור הארץ

סוג אחר של מערכות מבוססות פגם מסתמך על זרמי צ'רצ'ל נדירים (למשל, erbium, ניאודימיום, praseodymium) המוטבעים במארחי גביש כגון ytrium אוthosilicate (Y2SiO5) או Lithium niobate. חומרים אלה מפגינים יעילות אופטית של קואלות וספין ארוך בטמפרטורות פורנוגרפיות, אשר הוכיחו כמה פעמים זרם זיכרון רגיל, כולל 1.52SiO2S.

יצירת סרטים דקים נדירים עם איכות אופטית גבוהה רעש רקע נמוך נשאר מאתגר.Ion השתלה ושיטות דו-פינג co-doping הם להיות מעודן כדי להשיג מינון אחיד מבלי להשפיל את המארח. השילוב של דופינים נדירים עם חללי קריסטל פוטוניים הפיק מכשירים שיכולים לאחסן ולאחזר תמונות בודדות על הביקוש.

המונחים:

מרכיבים למחצה גדלות מבחינה כימית (QDs) הם בין המקורות המדווחים ביותר של תמונה אחת, המציג יעילות כמעט חד-משמעית, חוסר יכולת, ותואר גבוה של סבך.Indium arenide (InAs) QDs מוטבעת בגליום Arsenide (GaAs) הם הנפוצים ביותר, פולטים ב-900 מ"מקודמים" (N) כמו phos) חומרים מתקדמים, כמו phos.

עבור תקשורת קוונטית, היכולת לייצר פוטונים בלתי ניתנים לגילוי חיוני עבור התערבות הונג-Ou-Mandel והחלפת הסבך. המדינה-of-the-art QDs יכול להשיג שני תצלומים מולטיבות מעל 98%. יתר על כן, QDs ניתן להשתמש כדי ליצור זוגות פוטושופ סבוכים באמצעות ⁇ -citon-citon-citon-caexton, המספקים מקור סטטרנטי של מערכות יחסים עם סבך לאחרונה.

המגבלה העיקרית של QDs היא הצורך במבצע Cryogenic (בדרך כלל מתחת 10 K) והפצה הסטטיסטית של אורכי גל פליטה עקב שינויים צמיחה. Post-growth כוונון באמצעות מתח או שדות חשמליים, וטכניקות כגון resonance fluorescence, משמשים כדי לטפל אישית QDs. integrating QDs עם מעגלים סיליקון הוא אזור פעיל, עם הדפסה ו-הקשר.

קריסטל פוטוניקה ומטריאליזם

גבישים פוטוניים ומטא-חומרים אינם חומרים למבנים מפונדסיים השולטים באור בקנה מידה באורך תת-גל.הם חיוניים לשיפור אינטראקציה של חומר אור במרכיבים תקשורת קוונטיים. כי חללי גביש פוטוניים יכולים להגביל אור למצב של (λ /2)3, להגביר את שיעור פליטות ספונטניות של קוונטים מוטמעים באמצעות אפקט פורלייט.זה מאפשר מקורות מהירים יותר, בהירים של צילום יחיד.

מטאחומרים עם פיזור מותאם, כגון metamaterials hyperbolic, יכולים להנחות מצבים קוונטיים עם anisotropy קיצוני.הם נחקרים עבור גילוי תמונה רחבה ו super-Planckian קרינה חום העברה בזיכרונות הקוונטים. integrating metamaterials עם חומרים פעילים כמו dots גאוגרפיים או מרכזי צבע נשאר אתגר עקב הפסדים ספיגה ומרקם, עם אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים אטומים אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, מרכזי צבע מרכזי צבע מרכזי צבע מרכזי צבע מרכזי צבע מרכזי צבע מרכזי צבע מרכזי צבע מרכזי צבע נשאר אתגר נשאר אתגר, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות מרשימה, חומרים מתעוררים להתמודד עם כמה אתגרים משותפים שיש לטפל בהם כדי לממש מרכיבים תקשורת קוונטיים מעשיים. יציבות חומרית בתנאים תפעוליים - בין אם בטמפרטורה של בכיוגנית או חדר - הוא דאגה עיקרית.חומרים 2D ומרכזי פגם רבים סובלים מסחף באורך גל פליטה או קוהרנטיות ספין לאורך זמן.

מחקר עתידי צפוי להתמקד במערכות היברידיות המנצלות את נקודות החוזק של חומרים מרובים.לדוגמה, שילוב גלאי סופר-מוליכים במהירות עם זיכרון נדיר ארוך-חיים יכול לאפשר חזרות קוונטיות יעילות. בדומה, ואן דר וואלס הייטרו מבנים - תוך הפחתה של חומרים 2D שונים - מעבר לאפשרות מהנדס אופטי ותכונות אופטיות מותאמות מן הקרקע.

הפיתוח של פולטי הקוונטים של החדר נשאר מטרה מרכזית, שכן תשתיות Cryogenic הוא לעתים קרובות המחסום הראשי פריסה. hBN ו- perovskite nanocrystals להראות הבטחה בכיוון זה.באותו זמן, התקדמות ב miniaturization Cryocer עשוי להפחית את ההשפעה של טמפרטורות נמוכות. התכנסות של תקשורת קוונטית עם תקשורת קלאסית - במיוחד באמצעות השימוש של טכניקות לתדירות כי ניתן לחבר בין חומרים אופטיים כדי למנוע photocom חדש.

לבסוף, הקהילה דוחפת להפגנות ברמה המערכתית, כגון רשתות קוונטיות מרובות-נודה על פני אזורים מטרופולינים.מבחנים אלה מניעים את בגרותן של פלטפורמות חומריות על ידי חשיפת מצבי כישלונות וצוואר בקבוק ביצועים.עם המשך השקעה בחומרים והנדסה קוונטית, החזון של אינטרנט קוונטי מאובטח, גלובלי הוא הופך להיות מוחשי יותר.

מקורות חיצוניים המספקים עומק נוסף כוללים ביקורות על מכשירים קוונטיים קוונטיים (FLT:1), FLT:2 חומרים דו-ממדיים עבור פוטוניקה קוונטית:0 LT 3, ו-FLT:4 Defect Center for קוונטי רשתות הקוונטיותFLT:5 עדכונים באסטרטגיות אינטגרציה חומריות ניתן למצוא באמצעות פלטפורמות צילום 6LT ⁇ ⁇ Fical, כגון: 7 LT 10 אגודות מחקר:5 LT5 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇