Физики из МФТИ нашли материал для скоростного квантового интернета

Иллюстрация. Однофотонная электролюминесценция центров окраски в карбиде кремния SiC. Дизайнер Елена Хавина, пресс-служба МФТИ

Физики из МФТИ нашли "забытый" материал, который может стать основой для высокоскоростного квантового интернета. В частности, они показали, как повысить до более чем 1 Гбит/с скорость передачи информации по каналу, абсолютно защищенному законами физики, и сделать квантовый интернет таким же быстрым, как и классический.

Статья об этом опубликована в ведущем журнале по квантовым технологиям Nature Partner Journal Quantum Information.

Весь мир ведет гонку по созданию квантовых компьютеров. В нее уже давно включились индустриальные гиганты Google, IBM, Microsoft и лидирующие международные исследовательские центры и университеты. Пока неизвестно, когда появятся такие устройства, но мир готовится к их появлению. Дело в том, что квантовый компьютер может вызвать переворот в сфере информационной безопасности. Конфиденциальность передаваемой информации (личная переписка, банковская информация  и т.п.), обеспечивается сегодня алгоритмами шифрования, для взлома которых классическому суперкомпьютеру потребуются годы. Ожидается, что квантовый компьютер сможет сделать это за доли секунды.

К счастью, уже предложено "противоядие", позволяющее на 100 % защитить передаваемую информацию от квантовых компьютеров и вообще всевозможных видов атак. Речь идет о квантовой криптографии, стойкость которой обеспечивается не сложностью расшифровки, а законами квантовой физики. Ее принцип основан на невозможности создать копию неизвестного квантового состояния без изменения оригинала. Поэтому линия квантовой связи не может быть прослушана незаметно для отправителя и получателя. Квантовый компьютер тут не поможет злоумышленникам - даже если они перехватывают передаваемые данные, об этом моментально становится известно, и незаметно украсть информацию не выйдет.

Передавать информацию на расстояние лучше всего с помощью квантов света - фотонов, - несущих квантовые биты. Крайне важно использовать именно одиночные фотоны, иначе злоумышленник сможет перехватить дополнительные фотоны и получить копию сообщения. Принцип генерации одиночных фотонов достаточно прост. Возбужденная квантовая система может перейти в основное состояние с испусканием ровно одного кванта света. Остаётся только найти подходящую для практического использования квантовую систему. В этом и состоит вся сложность. К примеру, квантовые точки хорошо работают только при очень низких температурах (порядка −200 ℃), а ультрасовременные двумерные материалы, такие как графен, просто не могут часто излучать фотоны при электрическом возбуждении.

Решение исследователей из МФТИ состоит в использовании уже забытого сегодня в оптоэлектронике материала - карбида кремния. "В 2014 году мы практически случайно обратили внимание на карбид кремния и сразу же высоко оценили его потенциал", - говорит Дмитрий Федянин, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники. Однако, по его словам, впервые однофотонную электролюминесценцию в этом полупроводнике удалось получить в 2015 году группе ученых из Австралии.

Как ни странно, но именно с карбида кремния ни много ни мало началась вся современная оптоэлектроника: в нём впервые наблюдалась электролюминесценция (свечение при пропускании электрического тока), в 1920-е годы на его основе были продемонстрированы первые в мире светодиоды, а в 1970-е в СССР они выпускались в промышленных масштабах. Однако, в 1980-е карбид кремния был полностью вытеснен из оптоэлектроники прямозонными полупроводниками и практически забыт, поэтому сегодня он больше известен как очень твердый и термостойкий материал, из которого изготавливаются электротехнические элементы, бронежилеты и тормозные колодки суперкаров Porsche, Lamborghini и Ferrari.

Дмитрий Федянин и коллеги из лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ в своей работе исследовали физику однофотонной электролюминесценции центров окраски в карбиде кремния и разработали теорию, которая объясняет и точно воспроизводит экспериментальные результаты. Центры окраски - это точечные дефекты кристаллической решетки, обладающие оптическим переходом в той области спектра, где бездефектный кристалл прозрачен. Именно они играют ключевую роль в однофотонной электролюминесценции. Использовав разработанную теорию, исследователи показали, как усовершенствовать карбид-кремниевый однофотонный светодиод, чтобы повысить скорость излучения фотонов до нескольких миллиардов в секунду. Именно это требуется для реализации протоколов квантовой криптографии на скорости порядка 1 Гбит/с. Два других автора исследования, Игорь Храмцов и Андрей Вишневый, обращают внимание на то, что, скорее всего, в будущем найдутся другие материалы, которые приблизятся к карбиду кремния по яркости однофотонного излучения, но, в отличие от карбида кремния, устройства из них не смогут быть промышленно изготовлены в том же технологическом процессе, что и большинство современных микросхем. Благодаря совместимости с КМОП процессом, однофотонные источники на основе карбида кремния практически недосягаемы для конкурирующих с ним материалов и могут решить проблему малой пропускной способности квантовых линий связи.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда №17-79-20421.

Источник

Добавить комментарий

Комментарии не должны оскорблять автора текста и других комментаторов. Содержание комментария должно быть конкретным, написанным в вежливой форме и относящимся исключительно к комментируемому тексту.


Защитный код
Обновить

Loading...

Срочные новости

Что будет на спортивных аренах Дубны

После велопробега 24 мая, посвященного Дню славянской письменности, спортсмены Дубны готовятся ...

Последние новости уходящего учебного год…

Горуно Дубны теперь составляет еженедельные сводки своих новостей подобно полиции. Вот что произошло...

Ваш покой берегут добровольцы

Свыше 300 внештатников и общественников Госадмтехнадзора участвовали в противопожарных рейдах. ...

Неправильно сдал ЕГЭ – оштрафуют

Правовая группа ОМВД России по г.о. Дубна информирует об административной ответственности за нарушен...

Система-112 Московской области готова к …

Все штатные и привлеченные лингвисты Системы-112 прошли специальную подготовку для работы с иностран...

Реклама

Объявления

Loading...

Мы в соц сетях

VK
ОК
FB
G+

Новости бизнеса

Более 30 наименований препаратов планирует к выпус…

Резидент ОЭЗ "Дубна" компания "ПСК Фарма" в конце 2018 год...

Вебинары по лицензированию и экоэкспертизам

Министерство экологии Московской области публикует график пр...

Более 2,6 млрд. рублей инвестиций привлекут в Подм…

Более 2,6 млрд. рублей планируют вложить в реализацию свои...

Семинар по кассовой технике и досудебном порядке у…

Межрайонная инспекция Федеральной налоговой службы №12 по Мо...

В Дубне до конца года откроют коворкинг

Правительство Московской области рассчитывает построить до к...

Блоги

Подпишитесь на новые события нашего сайта:Подписаться