Квантовый интернет можно сделать таким же быстрым, как классический, обеспечив ему полную защиту от перехвата информации. Просто физики из МФТИ вспомнили про хорошо знакомый электронщикам материал, который может стать основой для такого квантового интернета. С помощью этого материала можно повысить скорость передачи информации по каналу, абсолютно защищённому законами физики, до более 1 Гбит/с.

Сейчас весь мир участвует в гонке по созданию квантовых компьютеров. В неё уже давно включились гиганты Google, IBM, Microsoft и другие международные исследовательские центры и университеты. Пока неизвестно, когда появится такое устройство, но все к нему готовятся. Ведь квантовый компьютер вызовет переворот в информационной безопасности! Сегодня конфиденциальность передаваемой информации (личная переписка, банковская информация  и т.п.) обеспечивается алгоритмами шифрования, для взлома которых классическому суперкомпьютеру могут потребоваться годы. А квантовый компьютер сделает это за доли секунды!

К счастью, уже предложено «противоядие», позволяющее на 100% защитить передаваемую информацию от квантовых компьютеров и вообще от 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 как для отправителя, так и получателя никак не может быть прослушана незаметно. Квантовый компьютер тоже злоумышленникам не поможет – даже если они перехватывают передаваемые данные, об этом моментально становится известно!

Передавать информацию на расстояние лучше всего с помощью квантов света – фотонов, несущих квантовые биты. При этом важно использовать фотоны одиночные, иначе злоумышленники смогут перехватить дополнительные фотоны и получить копию сообщения. Принцип генерации одиночных фотонов достаточно прост. Возбуждённая квантовая система может перейти в своё основное состояние с испусканием ровно одного кванта света. Остаётся только найти подходящую для практического использования квантовую систему.

В этом и состоит вся сложность! Квантовые точки хорошо работают только при очень низких температурах (порядка −200 ℃), а ультрасовременные двумерные материалы, такие как графен, при электрическом возбуждении не способны часто излучать фотоны.

Но как не раз бывало в науке, выручил фактор случайности. «В 2014 году мы практически случайно обратили внимание на карбид кремния и сразу же высоко оценили его потенциал», –рассказывает Дмитрий Федянин, старший научный сотрудник лаборатории Нанооптики и плазмоники МФТИ. Однако первыми однофотонную электролюминесценцию в этом полупроводнике получили в 2015 году австралийцы.

В чём парадокс: именно с карбида кремния началась 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, и в 1970-е годы в СССР их выпускали 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 его 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 решетки, обладающие оптическим переходом в той области спектра, где бездефектный кристалл прозрачен. Именно они играют ключевую роль в однофотонной электролюминесценции. Использовав разработанную теорию, учёные МФТИ показали, как усовершенствовать карбид-кремниевый однофотонный светодиод, чтобы повысить скорость излучения фотонов до нескольких миллиардов в секунду. Это как раз 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 могут быть промышленно изготовлены в том же технологическом процессе, что и большинство современных микросхем. Благодаря совместимости с КМОП процессом поточного производства однофотонные источники на основе карбида кремния практически недосягаемы для конкурирующих материалов и, наконец, решат наболевшую проблему малой пропускной способности квантовых линий связи.

Статья об этой научной работе опубликована в ведущем журнале по квантовым технологиям Nature Partner Journal Quantum Information. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда №17-79-20421.