Физики из МФТИ нашли материал для скоростного квантового интернета

Фото: mipt.ru

Физики из МФТИ нашли «забытый» материал, который может стать основой для высокоскоростного квантового интернета. В  статье , опубликованной в ведущем журнале по квантовым технологиям Nature Partner Journal Quantum Information, показано, как повысить до более чем 1  Гбит/с скорость передачи информации по каналу, абсолютно защищённому законами физики, и сделать квантовый интернет таким же быстрым, как классический.

Весь мир ведёт гонку по созданию квантовых компьютеров. В  неё 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 идёт о квантовой криптографии, стойкость которой обеспечивается не сложностью расшифровки, а законами квантовой физики. Её 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 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. Возбуждённая 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 °C), 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 учёных из Австралии.

Как ни странно, но именно с карбида кремния началась ни много ни мало 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 твёрдый 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 решётки, 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 Вишнёвый, 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.


Ссылка на оригинальную статью: I. A. Khramtsov, A. A. Vyshnevyy, D. Yu.  Fedyanin, Enhancing the brightness of electrically driven single-photon sources using color centers in silicon carbide , npj Quantum Information 4, 15 (2018).



Последние новости Подмосковья по теме:
Физики из МФТИ нашли материал для скоростного квантового интернета

Физики из МФТИ нашли материал для скоростного квантового интернета - МФТИ
Физики из МФТИ нашли материал для скоростного квантового интернета - Долгопрудный
Физики из МФТИ нашли «забытый» материал, который может стать основой для высокоскоростного квантового интернета.
12:05 13.03.2018 МФТИ
- Дубна
Физики из МФТИ нашли "забытый" материал, который может стать основой для высокоскоростного квантового интернета.
17:45 12.03.2018 OpenDubna.Ru
- Долгопрудный
Физики из МФТИ нашли “забытый” материал, который может стать основой для высокоскоростного квантового интернета.
14:57 12.03.2018 Долгие Пруды
 
По теме
 
Королёвские партийцы организовали для ребят экскурсию по историческим местам города Познавательный урок по краеведению в честь 80-летия Королева для школьников, отдыхающих в летних лагерях,
20.06.2018
 
IMG_20180618_112749 - ГУ МЧС МО В рамках Года культуры безопасности сотрудники ОНД по Чеховскому району совместно с Чеховским пожарно-спасательным гарнизоном провели профилактическое мероприятие по безопасности жизнедеятельности для детей,
20.06.2018
Акцию «Научись плавать» провели в Краскове - ИнфоЛюберцы ИнфоЛюберцы – 19 июн. На базе дневного лагеря в Красковской гимназии № 56 ребята приняли участие в акции «Научись плавать», сообщила городскому сайту ИнфоЛюберцы эксперт ТУ «Мособлпожспас» Елена Костюченко.
19.06.2018 ИнфоЛюберцы
На проверке Главгосстройнадзора ход строительства ФОКа с бассейном в Солнечногорском районе - Главгосстройнадзор МО Инспекторский состав Главгосстройнадзора Московской области в рамках акции «Осторожно каникулы» проводит очередную проверку строительства физкультурно-оздоровительного комплекса,
19.06.2018 Главгосстройнадзор МО
IMG-cc65b11bf38e0279e99f17591d213b90-V - ГУ МЧС МО Летняя оздоровительная компания в самом разгаре. В Подмосковье работает 1165 детских лагерей, взятых на учет Главным управлением МЧС России по Московской области.
20.06.2018 ГУ МЧС МО
Братья Николай, Иван, Сергей Усмановы приехали в Первый казачий из Тульской области.
19.06.2018 Красное знамя
Как проходит день ребят, чем они занимаются и чем их кормят – узнала корреспондент Орехово-Зуевского ИА Марина Отрадная Максим Лебедев Детский оздоровительный лагерь спортивной направленности «Совёнок» в гимназии №
19.06.2018 Орехово-Зуевская правда
ЛЮБЕРЦЫ.20 июня. INLUBERTSY.RU – 19 июня в поселке Красково на базе детского школьного лагеря гимназии № 56 инспектор государственная инспекция по маломерным судам МЧС России провела акцию «Научись плавать»,
20.06.2018 Люберецкая панорама
Ночью 19 июня произошло сразу два пожара.   В половине второго пожарным сообщили о горящем «Вольво», припаркованном у дома 205в по проспекту Красной Армии.
19.06.2018 Газета Вперёд
Легендарный источник в Егорьевске благоустроят - Вокруг Москвы Родник Казанской Божьей Матери, расположенный между деревнями Сазоново и Колычево под Егорьевском в Московской области, будет благоустроен министерством экологии региона в этом году, в рамках программы «Родники Подмосковья».
20.06.2018 Вокруг Москвы
Тематический концерт прошёл в Ступине - Ступинская панорама Ступинское информагентство, Екатерина Кардаш Тематический концерт, посвящённый 80-летию города Ступино и 100-летию ВЛКСМ состоялся на Комсомольской площади возле памятника «Дороги революции».
19.06.2018 Ступинская панорама
Особенные дети Подольска приняли участие в международном фестивале «Шаг навстречу!», который прошел в Санкт-Петербурге Марина Нис Особенные дети  Подольска приняли участие в международном фестивале «Шаг навстречу!»,
20.06.2018 Подольский рабочий
Сборная впервые за 32 года гарантированно выходит из группы. - Серебряно-Прудский вестник Сборная впервые за 32 года гарантированно выходит из группы. Первая половина матча с Египтом на стадионе «Санкт-Петербург» прошла в упорной борьбе и завершилась безголевой ничьей.
20.06.2018 Серебряно-Прудский вестник
Прогулки с Татьяной Алексеевой: Москва футбольная - Орехово-Зуевская правда Пропитанную футбольными страстями Москву засняла известным фотограф Татьяна Алексеева Татьяна Алексеева Татьяна Алексеева Татьяна Алексеева Татьяна Алексеева Татьяна Алексеева Татьяна Алексеева Татья
20.06.2018 Орехово-Зуевская правда
Еще один прекрасный футбольный праздник подарила нам наша сборная: более чем убедительная победа над Египтом со счетом 3:1 практически обеспечила хозяевам чемпионата мира выход в 1/8 финала!
20.06.2018 Серп и Молот
Подмосковная Госавтоинспекция информирует, что в Правила организованных перевозок групп детей автобусами внесены зменения (Постановление Правительства РФ от 17 апреля 2018 г. № 456),
20.06.2018 Серебряно-Прудский вестник
На стадионе «Локомотив» 19 июня определились победители и призеры очередной Спартакиады среди команд городских и загородных оздоровительных лагерей.
20.06.2018 Дмитровский вестник
Выпущена новая версия мобильного приложения региональной системы-112 - Люберецкая панорама ЛЮБЕРЦЫ.20 июня. INLUBERTSY.RU – Выпущена новая версия мобильного приложения региональной системы-112, в приложение внедрены полезные функции, оно адаптировано для англоязычных пользователей, сообщает Люберецкое информагентство.
20.06.2018 Люберецкая панорама
Московское областное УФАС России рассмотрело жалобу  ООО «Империя» на действия Муниципального учреждения «Парковый комплекс» городского поселения Волоколамск Волоколамского муниципального района Московской области при пр
20.06.2018 Серп и Молот
Как сообщил заведующий подстанцией «Зарайская» ГБУЗ МО «ВССМП» Владислав Нигматкулов, за последнюю неделю в «скорую» поступило 269 вызовов: по поводу несчастных случаев — 24, внезапных и хронических заболеваний —  236,
20.06.2018 За новую жизнь
С 9 по 15 июня 2018 года через портал «Добродел» от озерчан было подано 67 сообщений о проблемах.
20.06.2018 Озёрский район