携手钻石巨头，亚马逊正革新量子网络......
光子盒研究院出品
亚马逊正在与巨头戴比尔斯(De Beers)集团的一个部门合作种植人造钻石（金刚石），并押注：这些定制金刚石有望革新计算机网络。
具体来说，戴比尔斯的元素六部门(elementsix)将与亚马逊网络服务中心的量子网络合作开展该项目，共同寻找下一代方式来安全地远距离传输数据：量子网络，它使用亚原子物质以超越当今光纤系统的方式传输数据。而金刚石，将成为一个组件的一部分，可以让数据在不中断的情况下传输得更远。
传统的信号中继器无法处理这种形式的信息——量子比特。金刚石具有光学和量子特性，使其在 AWS 的几个重点领域具有独特的前景，包括半导体、量子网络和量子通信应用，以及其他重要用途（AWS 是一家云计算服务提供商，占亚马逊大部分利润）。
“我们希望为 AWS 打造这些网络，”量子网络中心的负责人 Antia Lamas-Linares 说。她估计该技术将在“几年而不是几十年”内投入使用。
对于元素六，他们也希望计划在其位于俄勒冈州的新工厂中通过“等离子增强化学气相沉积(PECSV)技术”年产多达 200 万个金刚石组件：工业金刚石因其硬度、可用作透镜的能力而备受推崇。
亚马逊希望 PECSV 钻石最终能够帮助连接世界各地的众多量子计算机，并创建能够提供指数级卓越计算能力的广泛网络。
量子网络利用纠缠和叠加的特性，在网络终端用户之间安全地分发量子信息。
这些网络由两种类型的节点组成：骨干节点和终端用户节点，而它们各自也依赖不同类型的技术。
终端用户节点可以使用传统的电信资源，如激光器和探测器，与骨干节点进行通信；另一方面，骨干节点将需要一种新型的基础设施：量子中继器。
这些中继器的功能类似于经典通信网络中的放大器，通过纠正量子信息长距离传播时发生的损失和不忠实行为，能够在不破坏通过网络的光的量子状态的情况下进行。
这使得纠正个别光子在通过电信光纤时（不可避免的）散射成为可能。因此，这些中继器使量子信息的传播成为可能，而不用担心光子的损失。量子中继器将作为未来量子互联网的骨干，将实现安全、私密的通信——这也是为什么，它是AWS量子网络中心的研究重点。
固体缺陷是一类广泛使用的量子比特，由一个或多个原子在其他均匀的晶体材料内形成的缺陷组成。
根据所用原子和材料的类型，量子比特由缺陷原子的电子或磁性状态定义。缺陷量子比特自然存在于许多材料中，并且通常可以通过有针对性、人为地将缺陷原子植入宿主材料。尽管有如此多的材料能够承载缺陷量子比特，但找到具有任何特定属性组合的材料-缺陷依然是一项具有挑战性的任务。
金刚石是自然界最杰出的材料之一。金刚石由碳原子晶格形成，是世界上最坚硬的天然材料，具有最广泛的光学传输，并且是最好的天然热导体。它在从最深、最冷的真空到极高的压力和温度的环境中都很稳定——甚至可以安全地融入生物体内。
天然金刚石在地球深处形成，是地球表面以下100多公里的构造压力的结果。作为其生长环境的结果，这些金刚石多样而独特。尽管金刚石比其他天然晶体更纯净，但在漫长而缓慢的生长过程中，金刚石含有许多来自环境的不同杂质。这些杂质使钻石具有广泛的颜色：从深蓝色到明亮的粉红色。
在某些情况下，金刚石中的缺陷不仅仅使它们变得独特和美丽：它们还可以作为量子网络应用的特殊量子比特。
金刚石有许多不同的缺陷，但有两类钻石缺陷量子比特已成为通信应用的主要候选者：氮空位中心(NV)和硅空位中心(SiV)。氮空位中心和硅空位中心都是通过从金刚石晶格中移除两个相邻的碳原子，并分别用一个氮原子或硅原子取代而形成的。
量子中继器的操作方式是将编码在光子上的信息转移到一个固定的记忆量子比特上，在那里信息可以被存储和纠正。缺陷量子比特（如色心），是这种操作的良好候选者：因为它们自然有一个与光（其颜色的来源）的有效接口，并且可以访问一个长期的“自旋”存储器：这种自旋可以被认为是包含在材料中的每个电子、质子和中子内的微小磁铁。这种自旋可以通过将量子比特置于磁场中，使自旋沿磁场方向定向来获取。然后，存储器由自旋是沿磁场方向还是相反方向来定义，这分别对应于1或0位。
当光从一个颜色中心反弹时，它可以翻转这个自旋量子比特，使信息在光和自旋存储器之间的转移成为可能，这就是所谓的自旋-光子接口。具有这种特性的色心（如NV和SiV）是量子中继器的有用候选。
NV和SiV等其他颜色中心的不同之处在于它们被安置在金刚石中，而金刚石与各种半导体工艺兼容，在许多不同的环境中具有化学惰性、稳定性。
这意味着这些量子比特可以被放置在为特定应用而设计的纳米级设备内。例如，NVs经常被放置在显微镜扫描探针的尖端，或放置在用于有效收集光线的半球形透镜或支柱的中心。对环境不太敏感的SiV可以被置于更小的结构内：它们通常被用于波导和光子晶体腔内，其宽度只有100多纳米。
使用第六元素的合成金刚石，这些功能已经被哈佛和麻省理工学院的科学家团队利用，实现了内存增强型量子通信，这一基准意味着NV将实现比没有中继器更远的通信距离。
在天然金刚石中，额外的缺陷原子数量减少了像NV、SiV这样的颜色中心的一致性、光学和自旋特性。
幸运的是，合成金刚石市场的出现使得减少这些额外缺陷成为可能。在过去的20年里，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的进展使得单个金刚石的生长具有足够的纯度和有序性，可以用于量子应用。
PECVD生长使金刚石的形成比“摄政王钻石”（卢浮宫展出的著名的纯天然钻石）要纯净数百或数千倍：在最好的PECVD金刚石中，只有不到百万分之一的原子是杂质，而大多数天然金刚石只有千分之一的杂质。
更有甚者预计，从 2022 年到 2027 年，全球 CVD 实验室培育金刚石市场预计将以 7.1% 的复合年增长率增长。
继续投资于PECVD金刚石技术将是使其用于量子应用的关键。改善对金刚石生长过程中产生的缺陷类型和材料的控制、扩大可大规模生产的金刚石的不同形态、并降低其制造成本，将对该领域的发展至关重要。
关于元素六：
凭借70多年来在开发合成金刚石的生长技术和应用知识方面的技术专长，元素六已经在许多颠覆性领域开创了金刚石解决方案，包括石油和天然气勘探、水处理、高性能半导体设备的先进热管理以及聚变能源和EUV光刻的光学应用。
通过与美国和欧洲领先的学术伙伴合作，元素六率先展示了可以生产出具有量子应用特性的合成金刚石。
向上滑动阅览
参考链接：
[1]https://www.e6.com/
[2]https://aws.amazon.com/cn/blogs/quantum-computing/perfect-imperfections-how-aws-is-innovating-on-diamond-materials-for-quantum-communication-with-element-six/
[3]https://www.bloomberg.com/news/articles/2023-04-05/amazon-looks-to-grow-diamonds-in-bid-to-boost-computer-networks?srnd=technology-vp&sref=TBDibEcD&leadSource=uverify%20wall
[4]https://analyticsindiamag.com/diamonds-in-the-quantum-sky/
[5]https://arxiv.org/pdf/1909.01323.pdf
[6]CVD Lab Grown Diamonds Market, Industry Size Forecast (marketsandmarkets.com)
|qu|cryovac>