Forskare från Moskvas institut för fysik och teknik har återupptäckt ett material som kan ligga till grund för ultrahöghastighets kvantinternet. Deras tidning publicerad i npj Kvantinformation visar hur man kan öka dataöverföringshastigheten i ovillkorligt säkra kvantkommunikationslinjer till mer än en gigabit per sekund, gör kvantinternet lika snabbt som sin klassiska motsvarighet.

Branschjättar inklusive Google, IBM och Microsoft, och ledande internationella forskningscentra och universitet, är involverade i det globala arbetet med att bygga en kvantdator. Kvantdatorer kan bryta säkerheten för alla klassiska dataöverföringsnätverk. I dag, känslig data som personlig kommunikation eller finansiell information skyddas med krypteringsalgoritmer som skulle ta en klassisk superdator år att knäcka. En kvantdator kan tänkas göra det på några sekunder.

Lyckligtvis, kvantteknik ger också ett sätt att neutralisera detta hot. Moderna klassiska kryptografiska algoritmer är komplexitetsbaserade, och kan förbli säker endast under en viss tid. Till skillnad från sin klassiska motsvarighet, kvantkryptografi bygger på fysikens grundläggande lagar, som kan garantera säkerheten för dataöverföring för alltid. Funktionsprincipen är baserad på det faktum att ett okänt kvanttillstånd inte kan kopieras utan att det ursprungliga meddelandet ändras. Detta innebär att en kvantkommunikationslinje inte kan äventyras utan att sändaren och mottagaren vet. Inte ens en kvantdator skulle vara till någon nytta för avlyssnare.

Fotoner, mängd ljus, är de bästa bärarna för kvantbitar. Endast enstaka fotoner kan användas; annat, en avlyssnare kan fånga upp en av de överförda fotonerna och få en kopia av meddelandet. Principen för generering av en foton är ganska enkel:ett exciterat kvantsystem kan slappna av i grundtillståndet genom att sända ut exakt en foton. Detta skulle kräva ett verkligt fysiskt system som tillförlitligt genererar enstaka fotoner under omgivningsförhållanden. Dock, ett sådant system är inte lätt att utveckla. Till exempel, kvantprickar kan vara ett bra alternativ, men de fungerar bara bra när de kyls under -200 grader Celsius, medan nya tvådimensionella material som grafen helt enkelt inte kan generera enstaka fotoner med hög upprepningshastighet under elektrisk excitation.

MIPT-forskarna undersöker kiselkarbid, ett halvledarmaterial som sedan länge glömts bort inom optoelektroniken. "Under 2014, vi studerade diamant, och riktade vår uppmärksamhet mot kiselkarbid nästan av en slump. Vi trodde att det hade stor potential, " säger Dmitrij Fedyanin. Men, som han förklarar, elektriskt driven emission av enstaka fotoner i denna halvledare uppnåddes först ett år senare, under 2015, av ett australiensiskt forskarlag.

Förvånande, kiselkarbid är ett material som startade hela optoelektroniken:fenomenet elektroluminescens, där en elektrisk ström får ett material att avge ljus, observerades för första gången i kiselkarbid. På 1920-talet materialet användes i världens första lysdioder (LED). På 70-talet, kiselkarbid-lysdioder masstillverkades i Sovjetunionen. Dock, efter det, kiselkarbid förlorade kampen mot direktbandgap-halvledare och övergavs av optoelektroniken. Nu för tiden, detta material är mest känt för att vara extremt hårt och värmebeständigt - det används i högeffektelektronik, skottsäkra västar, och bromsarna på sportbilar tillverkade av Porsche, Lamborghini, och Ferrari.

Tillsammans med sina kollegor, Fedyanin studerade fysiken för elektroluminescens av färgcentra i kiselkarbid och kom med en teori om singelfotonemission vid elektrisk injektion som förklarar och exakt återger de experimentella fynden. Ett färgcentrum är en punktdefekt i gitterstrukturen hos kiselkarbid som kan emittera eller absorbera en foton vid en våglängd som materialet är transparent för i frånvaro av defekter. Denna process är kärnan i den elektriskt drivna enfotonkällan.

Med hjälp av deras teori, forskarna har visat en förbättrad enfotonemitterande diod baserad på kiselkarbid för att avge upp till flera miljarder fotoner per sekund. Således, det är möjligt att implementera kvantkryptografiprotokoll vid dataöverföringshastigheter i storleksordningen 1 Gbps. Studiens medförfattare Igor Khramtsov och Andrey Vyshnevyy påpekar att nya material sannolikt kommer att hittas som konkurrerar med kiselkarbid när det gäller ljusstyrkan hos enfotonutsläpp. Dock, till skillnad från kiselkarbid, de kommer att kräva nya tekniska processer som ska användas vid massproduktion av enheter. Däremot kiselkarbidbaserade enfotonkällor är kompatibla med CMOS-tekniken, som är en standard för tillverkning av elektroniska integrerade kretsar. Detta gör kiselkarbid till det överlägset mest lovande materialet för att bygga praktiska, ovillkorligt säkra datakommunikationslinjer med ultrabred bandbredd.