Hackeraanvallen op alles, van sociale media-accounts tot overheidsbestanden, kunnen grotendeels worden voorkomen door de komst van kwantumcommunicatie, die lichtdeeltjes, 'fotonen' genaamd, zou gebruiken om informatie te beveiligen in plaats van een kraakbare code.

Het probleem is dat kwantumcommunicatie momenteel wordt beperkt door de hoeveelheid informatie die afzonderlijke fotonen veilig kunnen verzenden, een "geheime bitsnelheid" genoemd. Purdue University-onderzoekers creëerden een nieuwe techniek die de geheime bitsnelheid 100-voudig zou verhogen, tot meer dan 35 miljoen fotonen per seconde.

"Door de bitsnelheid te verhogen, kunnen we enkele fotonen gebruiken om niet alleen een zin per seconde te verzenden, maar eerder een relatief groot stuk informatie met extreme beveiliging, als een bestand van megabyte, " zei Simeon Bogdanov, een Purdue postdoctoraal onderzoeker in elektrotechniek en computertechniek.

Eventueel, een hoge bitsnelheid maakt een ultraveilig "kwantuminternet, " een netwerk van kanalen genaamd "golfgeleiders" die enkele fotonen tussen apparaten zullen verzenden, chips, plaatsen of partijen die kwantuminformatie kunnen verwerken.

"Het maakt niet uit hoe geavanceerd een hacker is, het zou in principe onmogelijk zijn door de wetten van de fysica om te interfereren met deze kwantumcommunicatiekanalen zonder te worden gedetecteerd, aangezien op het kwantumniveau, licht en materie zijn zo gevoelig voor verstoringen, ' zei Bogdanov.

Het werk werd in juli voor het eerst online gepubliceerd voor opname in een print Nano-letters uitgave op 8 augustus 2018.

Het gebruik van licht om informatie te verzenden is een kansspel:het verzenden van één bit informatie kan meerdere pogingen vergen. Hoe meer fotonen een lichtbron per seconde kan genereren, hoe sneller de snelheid van succesvolle informatieoverdracht.

"Een bron kan veel fotonen per seconde genereren, maar slechts enkele ervan kunnen daadwerkelijk worden gebruikt om informatie te verzenden, die de snelheid van kwantumcommunicatie sterk beperkt, ' zei Bogdanov.

Voor snellere kwantumcommunicatie, Purdue-onderzoekers hebben de manier gewijzigd waarop een lichtpuls van een laserstraal elektronen opwekt in een door de mens gemaakt "defect, " of lokale verstoring in een kristalrooster, en hoe dit defect één foton tegelijk uitzendt.

De onderzoekers versnelden deze processen door een nieuwe lichtbron te creëren met een kleine diamant van slechts 10 nanometer groot, ingeklemd tussen een zilveren kubus en een zilverfilm. Binnen de nanodiamant, ze identificeerden een enkel defect, als gevolg van een koolstofatoom dat wordt vervangen door stikstof en een leegte achtergelaten door een ontbrekend aangrenzend koolstofatoom.

De stikstof en het ontbrekende atoom vormden samen een zogenaamd "stikstof-vacaturecentrum" in een diamant met elektronen die eromheen cirkelen.

Een metalen antenne gekoppeld aan dit defect vergemakkelijkte de interactie van fotonen met de ronddraaiende elektronen van het stikstof-vacaturecentrum, door hybride licht-materiedeeltjes die 'plasmonen' worden genoemd. Doordat het centrum één plasmon tegelijk absorbeert en uitzendt, en de nanoantenne die de plasmonen omzet in fotonen, de snelheid van het genereren van fotonen voor kwantumcommunicatie werd dramatisch sneller.

"We hebben de helderste enkelvoudige fotonbron bij kamertemperatuur aangetoond. Gewoonlijk werken bronnen met vergelijkbare helderheid alleen bij zeer lage temperaturen, wat onpraktisch is voor implementatie op computerchips die we bij kamertemperatuur zouden gebruiken, " zei Vlad Shalaev, de Bob en Anne Burnett Distinguished Professor in Electrical and Computer Engineering.

Volgende, de onderzoekers gaan dit systeem aanpassen voor on-chip circuits. Dit zou betekenen dat de plasmonische antenne met golfgeleiders moet worden verbonden, zodat fotonen naar verschillende delen van de chip kunnen worden geleid in plaats van in alle richtingen uit te stralen.