Карбид кремния сделает квантовый интернет гигабитным

Ученые из МФТИ предложили способ повысить скорость квантового интернета до очень значительных величин — свыше гигабита в секунду. Новая разработка российских ученых может перевернуть всю ситуацию с передачей информации по защищенным каналам данных и сделать их такими же производительными, как обычный, «неквантовый» интернет. Соответствующая статья опубликована в Nature Partner Journal Quantum Information.

Активное развитие квантовых компьютеров, позволит, в теории, взламывать практически все существующие сейчас шифры в короткие сроки. Из-за отсутствия стойкого шифрования банковские операции онлайн и многие другие, уже ставшие привычными нам сервисы станут практически невозможны. Однако квантовая криптография, как считается, будет устойчивой даже для квантовых компьютеров. Простые следствия из основ квантовой физики не позволят перехватить сообщение, переданное по «квантовому» каналу, без того чтобы это стало известно получателю и отправителю.

Но у этой новой и крайне важной парадигмы защиты информации есть одно слабое место: квантовая передача данных требует использования одиночных фотонов, например квантовых точек (кусочков полупроводника, которые так малы, что из них за один рабочий цикл может получиться только один фотон). Вот только работают они нужным образом лишь при температуре -200 градусов по Цельсию. Массовое оборудование на такой основе будет слишком сложным и потому дорогим.

Физики из МФТИ предложили альтернативный материал для получения нужных однофотонных сигналов. С помощью расчетов они продемонстрировали, что новый материал не только намного практичнее, но и позволяет добиться огромных скоростей передачи данных.

Ученые исследовали физику однофотонной электролюминесценции центров окраски в карбиде кремния (SiC). Центры окраски — это точечные дефекты кристаллической решетки материала. Они обладают оптическим переходом в той области спектра, где бездефектный кристалл прозрачен. В свою очередь, оптический переход — это квантовый переход — точка, в которой материал, находящийся под внешним электромагнитным воздействием, испускает фотон.

Исследователи обнаружили, что свойства оптических переходов в карбиде кремния в принципе позволяют ему быть крайне эффективным источником однофотонной электролюминесценции, то есть произвольного испускания одиночных фотонов под управлением обычной электроники. Расчеты показывают, что предельная скорость излучения одиночных фотонов для карбид-кремниевого однофотонного светодиода достигает нескольких миллиардов в секунду. Этого достаточно для реализации передачи данных по протоколам квантовой криптографии на скорости до одного гигабита в секунду и даже чуть выше.

Достижение такой скорости крайне важно для практического перехода на квантовую криптографию. Даже банковским клиентам, для которых безопасность очень важна, было бы трудно перейти на защищенные каналы, если бы скорость передачи по ним была медленнее, чем у классического интернета. Новая работа наглядно демонстрирует, что для карбида кремния достижение таких скоростей — вполне решаемая задача.

Авторы новой работы отмечают: оптоэлектронные устройства на основе карбида кремния не потребуют использования новых технологий на производстве. Их можно выпускать по уже отработанным технологическим процессам.