Физики из МФТИ обнаружили ранее недооценённый материал, который может лечь в основу высокоскоростного квантового интернета. В работе, опубликованной в Nature Partner Journal Quantum Information, описан способ увеличить скорость передачи данных по защищённому квантовому каналу до более чем 1 Гбит/с и приблизить квантовую связь к уровню классических сетей.
Разработка происходит на фоне глобальной гонки за создание квантовых компьютеров. В ней участвуют крупные технологические компании Google, IBM, Microsoft, а также ведущие университеты и научные центры по всему миру. Сроки появления полноценных квантовых устройств остаются неопределёнными, однако подготовка к их внедрению уже ведётся. Причина в том, что квантовые вычислительные системы способны радикально изменить сферу информационной безопасности: современные методы шифрования, на взлом которых у суперкомпьютеров уходят годы, потенциально могут быть преодолены квантовыми машинами за считаные секунды.
Ответом на этот вызов стала квантовая криптография. Её устойчивость основана не на вычислительной сложности, а на фундаментальных законах квантовой физики. Ключевой принцип связан с тем, что невозможно скопировать неизвестное квантовое состояние, не изменив его. В результате любая попытка перехвата данных в квантовом канале связи неизбежно фиксируется. Даже при использовании квантового компьютера злоумышленник не сможет незаметно получить доступ к информации: факт вмешательства становится очевидным для участников передачи.
Для передачи информации в таких системах используют фотоны, которые переносят квантовые биты. Особое значение имеют одиночные фотоны, поскольку наличие дополнительных частиц позволяет перехватывать и копировать сообщение. Генерация одиночного фотона основана на переходе квантовой системы из возбуждённого состояния в основное с испусканием одного кванта света. Основная трудность заключается в выборе подходящей физической платформы. Например, квантовые точки требуют экстремально низких температур порядка −200 ℃, а двумерные материалы, включая графен, не обеспечивают стабильного однофотонного излучения при электрическом возбуждении.
Решение, предложенное исследователями из МФТИ, связано с материалом, который долгое время оставался в стороне от современной оптоэлектроники, — карбидом кремния. «В 2014 году мы практически случайно обратили внимание на карбид кремния и сразу же высоко оценили его потенциал», — отметил Дмитрий Федянин, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники. Он также указал, что первое наблюдение однофотонной электролюминесценции в этом материале удалось получить в 2015 году группе учёных из Австралии.
Карбид кремния имеет важное историческое значение для оптоэлектроники. Именно в нём впервые наблюдалось явление электролюминесценции — свечение при прохождении электрического тока. В 1920-е годы на его основе создавались первые светодиоды, а в 1970-е годы в СССР их выпускали в промышленных масштабах. Однако в 1980-х материал утратил позиции из-за появления прямозонных полупроводников и оказался практически вытеснен из оптоэлектроники. Сегодня он чаще известен как сверхпрочный и термостойкий материал, применяемый в электротехнике, бронежилетах и тормозных системах суперкаров Porsche, Lamborghini и Ferrari.
В работе Дмитрия Федянина и сотрудников лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ рассмотрена физика однофотонной электролюминесценции центров окраски в карбиде кремния. Учёные разработали теоретическую модель, которая объясняет экспериментальные данные и точно их воспроизводит. Центры окраски представляют собой точечные дефекты кристаллической решётки, которые формируют оптические переходы в спектральной области, где идеальный кристалл остаётся прозрачным. Эти дефекты определяют механизм однофотонного излучения.
Используя созданную теорию, исследователи предложили способ улучшения карбид-кремниевого однофотонного светодиода. Это позволяет повысить частоту излучения фотонов до нескольких миллиардов в секунду, что соответствует требованиям квантовой криптографии со скоростью передачи данных около 1 Гбит/с. Игорь Храмцов и Андрей Вишневый отмечают, что в перспективе могут появиться и другие материалы с сопоставимыми характеристиками однофотонного излучения, однако они уступят карбиду кремния по технологической совместимости. В отличие от альтернатив, карбид кремния может производиться в рамках тех же процессов, что и современные микросхемы на основе КМОП-технологий.
Такая совместимость делает однофотонные источники на основе карбида кремния особенно перспективными для масштабного применения. Они способны решить проблему ограниченной пропускной способности квантовых каналов связи и приблизить создание полноценных квантовых сетей передачи данных.
