Mod uhackbar kommunikation:Enkelte lyspartikler kunne bringe kvanteinternettet

Hackerangreb på alt fra sociale mediekonti til regeringsfiler kunne stort set forhindres af fremkomsten af ​​kvantekommunikation, som ville bruge partikler af lys kaldet "fotoner" til at sikre information i stedet for en knækkelig kode.

Problemet er, at kvantekommunikation i øjeblikket er begrænset af, hvor meget information enkelte fotoner kan hjælpe med at sende sikkert, kaldet en "hemmelig bithastighed". Purdue University-forskere skabte en ny teknik, der ville øge den hemmelige bithastighed 100 gange, til over 35 millioner fotoner i sekundet.

"Ved at øge bithastigheden kan vi bruge enkelte fotoner til at sende ikke bare en sætning et sekund, men snarere et relativt stort stykke information med ekstrem sikkerhed, som en megabyte-fil, " sagde Simeon Bogdanov, en Purdue postdoc-forsker i elektro- og computerteknik.

Til sidst, en høj bithastighed vil muliggøre et ultrasikkert "kvanteinternet, "et netværk af kanaler kaldet "bølgeledere", der vil transmittere enkelte fotoner mellem enheder, chips, steder eller parter, der er i stand til at behandle kvanteinformation.

"Uanset hvor avanceret beregningsmæssigt en hacker er, det ville grundlæggende være umuligt i henhold til fysikkens love at forstyrre disse kvantekommunikationskanaler uden at blive opdaget, siden på kvanteniveau, lys og stof er så følsomme over for forstyrrelser, " sagde Bogdanov.

Værket blev første gang offentliggjort online i juli med henblik på optagelse i et tryk Nano bogstaver udgave den 8. august 2018.

At bruge lys til at sende information er et sandsynlighedsspil:At overføre en bit information kan tage flere forsøg. Jo flere fotoner en lyskilde kan generere i sekundet, jo hurtigere hastigheden for vellykket informationsoverførsel.

"En kilde kan generere mange fotoner i sekundet, men kun nogle få af dem kan faktisk bruges til at overføre information, hvilket stærkt begrænser kvantekommunikationens hastighed, " sagde Bogdanov.

For hurtigere kvantekommunikation, Purdue-forskere ændrede måden, hvorpå en lysimpuls fra en laserstråle exciterer elektroner i en menneskeskabt "defekt, " eller lokal forstyrrelse i et krystalgitter, og så hvordan denne defekt udsender én foton ad gangen.

Forskerne fremskyndede disse processer ved at skabe en ny lyskilde, der inkluderer en lille diamant kun 10 nanometer stor, klemt mellem en sølvterning og sølvfilm. Inden for nanodiamanten, de identificerede en enkelt defekt, som følge af, at et kulstofatom er erstattet af nitrogen og en ledig plads efterladt af et manglende tilstødende kulstofatom.

Nitrogenet og det manglende atom dannede tilsammen et såkaldt "nitrogen-vacancy-center" i en diamant med elektroner, der kredsede omkring den.

En metallisk antenne koblet til denne defekt lettede interaktionen af ​​fotoner med de kredsende elektroner i nitrogen-tomgangscentret, gennem hybride lysstofpartikler kaldet "plasmoner". Ved at centret absorberer og udsender én plasmon ad gangen, og nanoantennen omdanner plasmonerne til fotoner, hastigheden for at generere fotoner til kvantekommunikation blev dramatisk hurtigere.

"Vi har demonstreret den lyseste enkeltfotonkilde ved stuetemperatur. Normalt fungerer kilder med sammenlignelig lysstyrke kun ved meget lave temperaturer, hvilket er upraktisk til implementering på computerchips, som vi ville bruge ved stuetemperatur, " sagde Vlad Shalaev, Bob og Anne Burnetts fremtrædende professor i elektro- og computerteknik.

Næste, forskerne vil tilpasse dette system til on-chip-kredsløb. Dette ville betyde at forbinde den plasmoniske antenne med bølgeledere, så fotoner kunne dirigeres til forskellige dele af chippen i stedet for at udstråle i alle retninger.