Onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology hebben een materiaal herontdekt dat de basis zou kunnen zijn voor ultrasnel kwantuminternet. Hun paper gepubliceerd in npj Quantum-informatie laat zien hoe de gegevensoverdrachtsnelheid in onvoorwaardelijk beveiligde kwantumcommunicatielijnen kan worden verhoogd tot meer dan één gigabit per seconde, waardoor quantum-internet net zo snel is als zijn klassieke tegenhanger.

Industriegiganten, waaronder Google, IBM en Microsoft, en toonaangevende internationale onderzoekscentra en universiteiten, zijn betrokken bij de wereldwijde inspanning om een ​​kwantumcomputer te bouwen. Kwantumcomputers kunnen de beveiliging van alle klassieke netwerken voor gegevensoverdracht doorbreken. Vandaag, gevoelige gegevens zoals persoonlijke communicatie of financiële informatie worden beschermd met behulp van encryptie-algoritmen die een klassieke supercomputer jaren zou kosten om te kraken. Een kwantumcomputer zou het in een paar seconden kunnen doen.

Gelukkig, kwantumtechnologieën bieden ook een manier om deze dreiging te neutraliseren. Moderne klassieke cryptografische algoritmen zijn gebaseerd op complexiteit, en kan slechts gedurende een bepaalde periode veilig blijven. In tegenstelling tot zijn klassieke tegenhanger, kwantumcryptografie is gebaseerd op de fundamentele wetten van de natuurkunde, die de veiligheid van gegevensoverdracht voor altijd kan garanderen. Het werkingsprincipe is gebaseerd op het feit dat een onbekende kwantumtoestand niet kan worden gekopieerd zonder het oorspronkelijke bericht te wijzigen. Dit betekent dat een kwantumcommunicatielijn niet kan worden aangetast zonder dat de zender en de ontvanger het weten. Zelfs een kwantumcomputer zou niets opleveren voor afluisteraars.

fotonen, quanta van licht, zijn de beste dragers voor kwantumbits. Er kunnen alleen enkele fotonen worden gebruikt; anders, een afluisteraar kan een van de verzonden fotonen onderscheppen en een kopie van het bericht verkrijgen. Het principe van het genereren van één foton is vrij eenvoudig:een aangeslagen kwantumsysteem kan zich ontspannen in de grondtoestand door precies één foton uit te zenden. Dit zou een fysiek systeem in de echte wereld vereisen dat op betrouwbare wijze enkele fotonen genereert onder omgevingsomstandigheden. Echter, zo'n systeem is niet eenvoudig te ontwikkelen. Bijvoorbeeld, kwantumdots zou een goede optie kunnen zijn, maar ze werken alleen goed als ze onder -200 graden Celsius worden gekoeld, terwijl nieuwe tweedimensionale materialen zoals grafeen eenvoudigweg geen enkele fotonen kunnen genereren met een hoge herhalingssnelheid onder elektrische excitatie.

De MIPT-onderzoekers onderzoeken siliciumcarbide, een halfgeleidermateriaal dat lang vergeten is in de opto-elektronica. "In 2014, we bestudeerden diamant, en richtten onze aandacht bijna per ongeluk op siliciumcarbide. We dachten dat het een enorm potentieel had, " zegt Dmitry Fedyanin. Echter, zoals hij uitlegt, elektrisch aangedreven emissie van enkele fotonen in deze halfgeleider werd pas een jaar later bereikt, in 2015, door een Australisch onderzoeksteam.

Verrassend genoeg, siliciumcarbide is een materiaal waarmee de hele opto-elektronica begon:het fenomeen elektroluminescentie, waarin een elektrische stroom een ​​materiaal gebruikt om licht uit te stralen, werd voor het eerst waargenomen in siliciumcarbide. In de jaren 1920, het materiaal werd gebruikt in 's werelds eerste light-emitting diodes (LED's). In de jaren '70, siliciumcarbide LED's werden in massa geproduceerd in de Sovjet-Unie. Echter, daarna, siliciumcarbide verloor de strijd tegen halfgeleiders met directe bandgap en werd verlaten door opto-elektronica. Vandaag de dag, dit materiaal staat vooral bekend als extreem hard en hittebestendig - het wordt gebruikt in high-power elektronica, kogelvrije vesten, en de remmen van sportwagens geproduceerd door Porsche, Lamborghini, en Ferrari.

Samen met zijn collega's Fedyanin bestudeerde de fysica van elektroluminescentie van kleurcentra in siliciumcarbide en kwam met een theorie van enkelvoudige fotonenemissie bij elektrische injectie die de experimentele bevindingen verklaart en nauwkeurig reproduceert. Een kleurcentrum is een puntdefect in de roosterstructuur van siliciumcarbide dat een foton kan uitzenden of absorberen op een golflengte waarvoor het materiaal transparant is in afwezigheid van defecten. Dit proces vormt de kern van de elektrisch aangedreven enkelvoudige fotonbron.

Met behulp van hun theorie, de onderzoekers hebben een single-photon emitting diode op basis van siliciumcarbide verbeterd om tot enkele miljarden fotonen per seconde uit te zenden. Dus, het is mogelijk om kwantumcryptografieprotocollen te implementeren met gegevensoverdrachtsnelheden in de orde van grootte van 1 Gbps. Studie co-auteurs Igor Khramtsov en Andrey Vyshnevyy wijzen erop dat er waarschijnlijk nieuwe materialen zullen worden gevonden die concurreren met siliciumcarbide in termen van de helderheid van emissie van één foton. Echter, in tegenstelling tot siliciumcarbide, ze zullen nieuwe technologische processen vereisen voor de massaproductie van apparaten. Daarentegen, op siliciumcarbide gebaseerde single-photon-bronnen zijn compatibel met de CMOS-technologie, wat een standaard is voor het vervaardigen van elektronische geïntegreerde schakelingen. Dit maakt siliciumcarbide verreweg het meest veelbelovende materiaal voor het bouwen van praktische, onvoorwaardelijk veilige datacommunicatielijnen met ultrabrede bandbreedte.