Физики из МФТИ нашли материал для быстрого квантового интернета
Физики из МФТИ изучили карбид кремния как материал, который может стать основой для высокоскоростного квантового интернета. По расчетам ученых, он способен помочь увеличить скорость передачи данных по защищенному квантовому каналу до более чем 1 гигабита в секунду, сообщает «Научная Россия».
Работа опубликована в одном из ведущих научных журналов по квантовым технологиям. В ней исследователи показали, как сделать квантовую передачу информации сопоставимой по скорости с обычными каналами связи.
Развитие квантовых компьютеров считается одной из главных причин поиска новых способов защиты данных. Ожидается, что такие устройства смогут быстро взламывать некоторые современные алгоритмы шифрования, на которые сейчас опирается защита личной переписки, банковских сведений и другой конфиденциальной информации.
Одним из решений называют квантовую криптографию. Ее стойкость основана не на сложности расшифровки, а на законах квантовой физики.
Принцип такой защиты связан с тем, что неизвестное квантовое состояние нельзя незаметно скопировать без изменения оригинала. Поэтому попытка прослушивания линии квантовой связи должна быть обнаружена отправителем и получателем.
Для передачи данных на расстояние в таких системах используют фотоны — кванты света, несущие квантовые биты. При этом важно получать именно одиночные фотоны, иначе злоумышленник может перехватить дополнительные частицы и получить копию сообщения.
Сложность заключается в выборе подходящей квантовой системы для генерации одиночных фотонов. Например, квантовые точки эффективно работают только при очень низких температурах, а современные двумерные материалы не подходят для частого излучения фотонов при электрическом возбуждении.
Исследователи из МФТИ предложили использовать карбид кремния — материал, который сегодня почти не применяется в оптоэлектронике. По словам старшего научного сотрудника лаборатории нанооптики и плазмоники Дмитрия Федянина, на его потенциал ученые обратили внимание еще в 2014 году.
При этом впервые однофотонную электролюминесценцию в карбиде кремния в 2015 году получила группа исследователей из Австралии.
Именно с карбидом кремния связано начало современной оптоэлектроники. В этом материале впервые наблюдали электролюминесценцию — свечение при прохождении электрического тока. В двадцатые годы прошлого века на его основе были показаны первые светодиоды, а в семидесятые годы в СССР их выпускали промышленно.
Позднее карбид кремния вытеснили другие полупроводники. Сейчас он больше известен как очень твердый и термостойкий материал, который используют в электротехнических элементах, бронежилетах и тормозных колодках спортивных автомобилей.
Дмитрий Федянин и его коллеги из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ исследовали однофотонную электролюминесценцию центров окраски в карбиде кремния. Центрами окраски называют точечные дефекты кристаллической решетки, которые могут излучать свет в той области спектра, где сам кристалл остается прозрачным.
Ученые разработали теорию, объясняющую полученные экспериментальные данные. С ее помощью они показали, как можно усовершенствовать однофотонный светодиод на основе карбида кремния.
По расчетам исследователей, скорость излучения фотонов можно довести до нескольких миллиардов в секунду. Это необходимо для работы протоколов квантовой криптографии на скорости около 1 гигабита в секунду.
Авторы работы Игорь Храмцов и Андрей Вишневый отметили, что в будущем могут появиться и другие материалы с похожей яркостью однофотонного излучения. Однако преимущество карбида кремния заключается в совместимости с промышленными технологиями производства современных микросхем.
По мнению ученых, это делает источники одиночных фотонов на основе карбида кремния перспективными для решения проблемы низкой пропускной способности квантовых линий связи.
Рекомендуем также:
