Физики из МФТИ нашли материал, который может лечь в основу скоростного квантового интернета. В работе, опубликованной в журнале Nature Partner Journal Quantum Information, ученые показали, как увеличить скорость передачи данных по квантовому каналу до более чем 1 Гбит/с. Речь идет о линии связи, защищенной не обычным шифрованием, а самими законами физики.
Сейчас во всем мире идет работа над созданием квантовых компьютеров. Этим занимаются и крупные технологические компании, и ведущие научные центры. Точный срок появления таких устройств пока неизвестен, однако к ним уже готовятся, потому что они могут серьезно изменить сферу информационной безопасности. Современные способы шифрования защищают личную переписку, банковские данные и другую конфиденциальную информацию за счет сложности взлома. Классическому суперкомпьютеру на это потребуются годы, а квантовый компьютер, как ожидается, сможет справиться с такой задачей намного быстрее.
Для защиты от подобных угроз уже предложен другой подход — квантовая криптография. Ее надежность основана не на сложности вычислений, а на законах квантовой физики. Принцип работы связан с тем, что неизвестное квантовое состояние нельзя скопировать без изменения оригинала. Поэтому незаметно прослушать квантовую линию связи невозможно: если кто-то попытается перехватить данные, отправитель и получатель сразу это увидят.
Для передачи информации на расстояние в таких системах используют фотоны, которые несут квантовые биты. При этом особенно важно, чтобы источник испускал именно одиночные фотоны. Если фотонов будет несколько, появляется риск, что лишние частицы удастся перехватить и получить копию сообщения.
Сам принцип получения одиночных фотонов достаточно прост. Если возбужденная квантовая система переходит в основное состояние, она может испустить ровно 1 квант света. Но для практического применения нужно подобрать подходящий материал. В этом и состоит главная трудность. Например, квантовые точки хорошо работают только при очень низкой температуре, около минус 200 ℃. А современные двумерные материалы, в том числе графен, не могут достаточно часто испускать фотоны при электрическом возбуждении.
Решение, предложенное исследователями из МФТИ, связано с карбидом кремния. Этот материал сегодня редко вспоминают в оптоэлектронике, хотя раньше он играл в ней важную роль. Старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники Дмитрий Федянин рассказал: «В 2014 году мы практически случайно обратили внимание на карбид кремния и сразу же высоко оценили его потенциал». По его словам, впервые однофотонную электролюминесценцию в этом полупроводнике в 2015 году получила группа ученых из Австралии.
Именно с карбида кремния в свое время фактически началось развитие современной оптоэлектроники. В этом материале впервые наблюдали электролюминесценцию — свечение при прохождении электрического тока. В 1920-х годах на его основе показали первые в мире светодиоды, а в 1970-е годы в СССР такие устройства выпускали уже в промышленных масштабах. Позже, в 1980-е, карбид кремния вытеснили прямозонные полупроводники, и материал почти перестали использовать в этой области. Сейчас он больше известен как очень твердый и жаростойкий материал для электротехнических деталей, бронежилетов и тормозных колодок спортивных автомобилей.
В своей работе Дмитрий Федянин и его коллеги из лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ изучили физику однофотонной электролюминесценции центров окраски в карбиде кремния. Также они построили теорию, которая объясняет и точно воспроизводит результаты экспериментов. Центры окраски представляют собой точечные дефекты кристаллической решетки. У них есть оптический переход в той части спектра, где кристалл без дефектов остается прозрачным. Именно такие дефекты и играют главную роль в однофотонной электролюминесценции.
С помощью разработанной теории исследователи показали, как можно улучшить однофотонный светодиод на основе карбида кремния. Это должно позволить увеличить скорость испускания фотонов до нескольких миллиардов в секунду. Такой уровень нужен для работы протоколов квантовой криптографии со скоростью около 1 Гбит/с.
Другие авторы исследования, Игорь Храмцов и Андрей Вишневый, отметили, что со временем могут появиться и другие материалы, близкие к карбиду кремния по яркости однофотонного излучения. Однако, по их оценке, у них будет важное ограничение. В отличие от карбида кремния, такие устройства, скорее всего, нельзя будет изготавливать в том же технологическом процессе, который применяется для большинства современных микросхем.
Карбид кремния совместим с КМОП-процессом, а это делает однофотонные источники на его основе особенно выгодными для промышленного применения. Именно эта особенность, сообщает портал «Научная Россия», может дать таким решениям преимущество перед конкурирующими материалами и помочь решить проблему низкой пропускной способности квантовых линий связи.
