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
В образовательных учреждениях Москвы и Московской области проходят уроки пенсионной грамотности, в территориальных подразделениях Пенсионного фонда проводятся Дни  открытых дверей, лекции и экскурсии.
25.09.2018
 
На очередном заседании церковно-практической кафедры закреплены темы работ и защищены квалификационные работы - Духовная академия 24 сентября 2018 года прошло заседание церковно-практической кафедры Московской духовной академии под председательством заведующего кафедрой профессора протоиерея Владислава Цыпина.
25.09.2018
Педагог из Химок представит Московскую область на конкурсе «Учитель года России» - Правительство Московской области Источник: Фотобанк Московской области , Александр Кожохин Учитель истории и обществознания из Химок представит Подмосковье на Всероссийском конкурсе «Учитель года России», первый тур которого старторвал 25 сентября,
25.09.2018
 
Более 70 тысяч пятиклассников Московской области напишут 25 сентября региональную диагностическую работу по математике. - Серебряно-Прудский вестник Она проводится с целью установления уровня знаний учеников, сформированных в начальной школе», – рассказала первый заместитель Председателя Правительства Московской области – министр образования Московской области Ольга Забралова.
25.09.2018 Серебряно-Прудский вестник
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №1 городского округа Пущино Московской области была открыта 1 сентября 1963 г. С 1999 года пущинская средняя школа №1 носит имя Н.Д.
25.09.2018 Пущинская среда
История одной Насти - Дмитровский вестник Решение взять из детского дома малыша не оставляло нас и вскоре мы нашли нашу Настеньку.
25.09.2018 Дмитровский вестник
Полицейские проводят с 25 сентября в Пушкинском районе операцию «Сбыт»  - Газета Маяк Оперативно-профилактическая операция «Сбыт» проводится с 25 сентября по 1 октября на территории обслуживания межмуниципального управления МВД России «Пушкинское», говорится в сообщении пресс-службы управления.
25.09.2018 Газета Маяк
Сергиев Посад.17 сентября состоялось оперативное совещание в Администрации Сергиево-Посадского муниципального района - Общественная палата МО 17 сентября 2018 года состоялось постоянно действующее оперативное совещание в Администрации Сергиево-Посадского муниципального района.
25.09.2018 Общественная палата МО
В Сергиево-Посадском районе Подмосковья мужчина подозревается в убийстве матери, возбуждено уголовное дело по части 1 статьи 105 УК РФ (убийство),
25.09.2018 Копейка
Полным ходом идет очная защита проектов, поданных жителями Московской области на Всероссийский конкурс «Доброволец России-2018», направленный на развитие и формирование культуры волонтерства в нашей стране.
25.09.2018 Администрация г. Химки
Исследования более 20 авторов напечатаны в третьем сборнике «Пушкинский краевед», сообщил сегодня, 25 сентября, на презентации нового издания председатель пушкинского общества краеведов Василий Панченков .
25.09.2018 Газета Маяк
Восьмидесятилетний юбилей режиссера Народного драматического театра — спутника МХАТ имени М. Горького — Геннадия Каретникова отметили в большом кругу друзей и почитателей таланта,
24.09.2018 Орехово-Зуевская правда
В 67 муниципалитетах Московской области 23 сентября стартует традиционный марафон «100-дневный воркаут» — образовательный проект о здоровом образе жизни, в ходе которого участникам расскажут,
26.09.2018 Pro-Domodedovo.Ru
Новый сезон 1914 года команда КСО встречала уже без ветеранов Эдварда и Джеймса Чарноков, они закончили свои активные выступления в большом футболе Джеймс сосредоточился на организационных делах клуба,
25.09.2018 Орехово-Зуевская правда
Глава Городского округа Подольск Николай Пестов принял участие в высадке аллеи памяти 28 героев-панфиловцев - Администрация г.Подольск Глава Городского округа Подольск  Николай Пестов  в ходе акции «Наш лес. Посади свое дерево» высадил аллею лип вместе с учащимися школы № 5 микрорайона Климовск.
23.09.2018 Администрация г.Подольск
Губернатор провел расширенное заседание правительства Московской области - Правительство Московской области Источник: Пресс-служба Губернатора Московской области Двадцать пятого сентября под руководством губернатора Московской области Андрея Воробьева состоялось расширенное заседание правительства Московской области,
25.09.2018 Правительство Московской области
Порядок проведения электронного аукциона нарушили во Власихе Московское областное УФАС России рассмотрело жалобу ООО «ВИВАНА» на действия администрации городского округа Власиха и МКУ «Централизованная бухгалтерия мун
26.09.2018 Городской округ Ликино-Дулево