Команда Дмитрия Федянина из МФТИ разработала светодиод, способный излучать несколько миллиардов одиночных фотонов в секунду. Работа российских физиков поможет сделать квантовые линии связи такими же быстрыми, как и классические. Научная статья опубликована в журнале npj Quantum Information.
Квантовый компьютер может сниться в ночных кошмарах любому, у кого есть деньги на банковских счетах или конфиденциальная информация в базах данных. Ожидается, что такая машина сможет взломать любые современные шифры за доли секунды.
К счастью, квантовая физика сама же и подсказывает решение. Речь идёт о квантовой криптографии. В этом случае безопасность информации зиждется не на алгоритмах шифрования, а на нерушимом физическом законе: невозможно считать с квантовой системы её состояние, не воздействовав на него. Подключившись к такой линии связи, злоумышленник сразу же изменит те данные, которые пытается прочитать. Адресат заметит это и примет меры.
Однако столь умиротворяющая картина возможна только в том случае, если квантовое состояние передаётся посредством одиночного фотона. Если источник излучает сразу несколько фотонов в одном состоянии, то "шпион" сможет считать информацию с одного из них, а адресат "прочтёт" другой, нетронутый, и ничего не заметит. Следовательно, необходима технология излучения одиночных фотонов.
Как известно, квантовая система излучает фотон, когда переходит из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией. Остаётся найти систему, удобную в практическом применении. Вот здесь и зарыта собака. Одни вещества "работают" в качестве таких излучателей только при очень низких температурах (порядка минус двухсот по Цельсию), другие не могут обеспечить нужное быстродействие.
"В 2014 году мы практически случайно обратили внимание на карбид кремния и сразу же высоко оценили его потенциал," – рассказывает Федянин.
Ирония судьбы в том, что с этого вещества когда-то начиналась оптоэлектроника. Ещё 1920-е годы зажглись первые в мире светодиоды, и светился в них именно карбид кремния. Вообще, он стал первым веществом, в котором наблюдалась электролюминесценция (свечение при пропускании электрического тока). Однако в 1980-е он был полностью вытеснен более современными материалами и практически забыт.
Похоже, ныне вещество обретает на ниве оптоэлектроники вторую жизнь. Федянин и его коллеги исследовали физику испускания одиночных фотонов этим материалом и разработали теорию, которая объясняет и точно воспроизводит экспериментальные результаты. Используя эту модель, исследователи показали, как улучшить светодиод, чтобы он испускал миллиарды одиночных фотонов в секунду. А именно это и требуется для связи со скоростью порядка одного гигабита в секунду.
Более того, такой элемент совместим с пакетом технологий, известным как КМОП (комплементарная структура "металл-оксид-полупроводник"). А именно этот комплекс технологических решений используется для производства большинства современных микросхем. Так что дать изобретению путёвку в жизнь будет относительно просто.
Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали о созданном в России рекордно качественном усилителе сигнала для квантового компьютера. Рассказывали мы и о квантовом генераторе случайных чисел, и о новых алгоритмах квантового шифрования.
