Физики из МФТИ предложили использовать карбид кремния в качестве основы материала для высокоскоростного квантового интернета. Статья об исследовании опубликована в ведущем журнале по квантовым технологиям Nature Partner Journal Quantum Information, популярно об открытии рассказывает пресс-служба МФТИ.

В современном мире конфиденциальность передаваемой информации, как личной переписки, так и банковской информации обладает огромным значением, поэтому важны алгоритмы шифрования, позволяющее на 100% защитить передаваемую информацию. Такой способностью обладает квантовая криптография. Ее 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.

На сегодняшний день в России уже действуют линии квантовой связи на основе оптоволоконной линии в в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий и механики и оптики (ИТМО) и между двумя зданиями «Газпромбанка» в Москве. В октябре 2016 года прошли успешные испытания автоматической системы квантового распределения криптографических ключей на базе стандартной оптоволоконной линии связи ПАО «Ростелеком» между подмосковными городами Ногинском и Павловским Посадом. Ученые физического факультета МГУ работают над созданием технологии квантовой телефонии, а Российский квантовый центр (РКЦ) в сотрудничестве с итальянскими компаниями Interactive Fully Electrical Vehicles (I-FEVS) и Istituto P.M. (IPM) разрабатывают системы квантовой защищённой связи для следующего поколения электрического транспорта всех типов. Принципы квантовой криптографии может применяться и в беспроводной связи: в августе 2016 года в Китае был запущен первый в мире спутник квантовой связи QUESS/ Мо-цзы, целью которого будет проведение экспериментов по космической связи с использованием квантового шифрования.

Передавать информацию на расстояние лучше всего с помощью квантов света - фотонов, причем одиночных, иначе злоумышленник сможет перехватить дополнительные фотоны и получить копию сообщения. Сложность создания квантовой линии связи состоит в том, что квантовые точки хорошо работают только при очень низких температурах (порядка −200 ℃), а ультрасовременные двумерные материалы, такие как графен, просто не могут часто излучать фотоны при электрическом возбуждении.

Исследователей из МФТИ предложили использовать уже забытый в оптоэлектронике материал - карбид кремния. Как напоминается в пресс-релизе, 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, 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 твердый и термостойкий материал, из которого изготавливаются электротехнические элементы, бронежилеты и тормозные колодки суперкаров Porsche, Lamborghini и Ferrari. 

«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 ученых из Австралии.

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 решетки, 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. Также ученые 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.