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

Срочные новости

2,5 млн владельцев участков под жилье ил…

На брифинге в Доме Правительства Московской области заместитель Председателя Правительства региона Д...

Расширяется список интеллектуальной собс…

Отдел лицензий и интеллектуальной собственности ОИЯИ сообщил, что этой осенью Объединенный институт ...

Азы Интернета. Как научиться видеозвонка…

Уже несколько лет подряд компания "Ростелеком" совместно с Пенсионным фондом Российской Федерации со...

Дубненский мост проверили на прочность 1…

19 октября в Дубне были проведены статические и динамические испытания левобережной, правобережной э...

В осетинском вузе открыли инфоцентр ОИЯИ

12 октября в Северо-Осетинском государственном университете им. К.Л. Хетагурова (СОГУ) в целях между...

Реклама

Объявления

Новости бизнеса

Денис Буцаев: «Очень хороший темп развития проект…

12 октября заместитель председателя правительства Московск...

Три новых резидента

В среду экспертный совет правительства Московской области ...

Решение по набережной пока не принято

Городской совет депутатов в минувшую среду рассматривал на в...

Особая экономическая зона "Дубна" - триж…

Особая экономическая зона "Дубна" лидирует в международном р...

Резидент ОЭЗ "Дубна" представил российск…

Технологический стартап "Гетмобит" представил малый и сред...

Мы в соц сетях

VK
ОК
FB
G+

 

Блоги

Подпишитесь на новые события нашего сайта:Подписаться