Fysikere afslører materiale til højhastigheds-kvante-internet

Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi har genfundet et materiale, der kunne danne grundlag for ultrahurtigt kvanteinternet. Deres papir udgivet i npj Quantum Information viser, hvordan man øger dataoverførselshastigheden i ubetinget sikre kvantekommunikationslinjer til mere end en gigabit pr. sekund, gør kvanteinternet lige så hurtigt som dets klassiske modstykke.

Branchen giganter herunder Google, IBM og Microsoft, og førende internationale forskningscentre og universiteter, er involveret i den globale indsats for at bygge en kvantecomputer. Kvantecomputere kunne bryde sikkerheden for alle klassiske dataoverførselsnetværk. I dag, følsomme data såsom personlig kommunikation eller finansielle oplysninger er beskyttet ved hjælp af krypteringsalgoritmer, der ville tage en klassisk supercomputer år at knække. En kvantecomputer kunne tænkes at gøre det på få sekunder.

Heldigvis kvanteteknologier giver også en måde at neutralisere denne trussel. Moderne klassiske kryptografiske algoritmer er kompleksitetsbaserede, og kan kun forblive sikre i et bestemt tidsrum. I modsætning til sin klassiske modstykke, kvantekryptografi er afhængig af fysikkens grundlæggende love, som kan garantere sikkerheden ved datatransmission for evigt. Driftsprincippet er baseret på, at en ukendt kvantetilstand ikke kan kopieres uden at ændre den oprindelige besked. Det betyder, at en kvantekommunikationslinje ikke kan kompromitteres uden afsender og modtager ved det. Selv en kvantecomputer ville ikke være til nytte for aflyttere.

Fotoner, kvante lys, er de bedste bærere til kvantebits. Kun enkelte fotoner kan bruges; Ellers, en aflyttere kan opfange en af ​​de transmitterede fotoner og få en kopi af meddelelsen. Princippet for enkeltfotogenerering er ganske enkelt:Et ophidset kvantesystem kan slappe af i jordtilstanden ved at udsende præcis en foton. Dette ville kræve et fysisk system i den virkelige verden, der pålideligt genererer enkeltfotoner under omgivelsesbetingelser. Imidlertid, sådan et system er ikke let at udvikle. For eksempel, kvantepunkter kan være en god mulighed, men de fungerer kun godt, når de afkøles til under -200 grader Celsius, mens nye todimensionelle materialer som grafen simpelthen ikke er i stand til at generere enkeltfotoner ved en høj gentagelseshastighed under elektrisk excitation.

MIPT -forskerne undersøger siliciumcarbid, et halvledermateriale, der længe er glemt inden for optoelektronik. "I 2014, vi studerede diamant, og vendte vores opmærksomhed mod siliciumcarbid næsten ved et uheld. Vi regnede med, at det havde et stort potentiale, "siger Dmitry Fedyanin. Dog, som han forklarer, elektrisk drevet emission af enkeltfotoner i denne halvleder blev først opnået et år senere, i 2015, af et australsk forskerhold.

Overraskende, siliciumcarbid er et materiale, der startede hele optoelektronik:fænomenet elektroluminescens, hvor en elektrisk strøm får et materiale til at udsende lys, blev observeret for første gang i siliciumcarbid. I 1920'erne, materialet blev brugt i verdens første lysemitterende dioder (LED'er). I 70'erne, siliciumcarbid-LED'er blev masseproduceret i Sovjetunionen. Imidlertid, efter det, siliciumcarbid tabte kampen mod halvleder med direkte båndgab og blev opgivet af optoelektronik. I dag, dette materiale er mest kendt for at være ekstremt hårdt og varmebestandigt-det bruges i elektronik med høj effekt, skudsikre veste, og bremserne på sportsvogne produceret af Porsche, Lamborghini, og Ferrari.

Sammen med sine kolleger, Fedyanin studerede fysikken ved elektroluminescens af farvecentre i siliciumcarbid og kom med en teori om enkelt-fotonemission ved elektrisk injektion, der forklarer og præcist gengiver de eksperimentelle fund. Et farvecenter er en punktdefekt i siliciumcarbids gitterstruktur, der kan udsende eller absorbere en foton ved en bølgelængde, hvortil materialet er gennemsigtigt i mangel af defekter. Denne proces er kernen i den elektrisk drevne enkelt-foton kilde.

Ved hjælp af deres teori, forskerne har vist forbedret en enkelt-foton emitterende diode baseret på siliciumcarbid for at udsende op til flere milliarder fotoner i sekundet. Dermed, det er muligt at implementere kvantekryptografiprotokoller ved dataoverførselshastigheder i størrelsesordenen 1 Gbps. Undersøgelsesforfattere Igor Khramtsov og Andrey Vyshnevyy påpeger, at der sandsynligvis vil blive fundet nye materialer, der konkurrerer med siliciumcarbid, hvad angår lysstyrken af ​​enkelt-fotonemission. Imidlertid, i modsætning til siliciumcarbid, de vil kræve, at nye teknologiske processer bruges til masseproduktion af enheder. Derimod, siliciumcarbidbaserede single-foton-kilder er kompatible med CMOS-teknologien, som er en standard for fremstilling af elektroniske integrerede kredsløb. Dette gør siliciumcarbid til langt det mest lovende materiale til opbygning af praktiske ultrabred båndbredde ubetinget sikre datakommunikationslinjer.