Физики из России выяснили, как создать гигабитный квантовый интернет
Карбид кремния, основа фальшивых алмазов и наждачной бумаги, оказался идеальным материалом для создания сверхбыстрых квантовых сетей, не уступающих в скорости обычным оптоволоконным интернет-каналам, заявляют физики в статье, опубликованной в журнале npj Quantum Information.
"В 2014 году мы практически случайно обратили внимание на карбид кремния и сразу же высоко оценили его потенциал. Практически сразу, в 2015 году, коллегам из Австралии впервые удалось заставить этот материал излучать одиночные фотоны", — рассказывает Дмитрий Федянин, физик из Московского физико-технического института в Долгопрудном.
Надежные источники одиночных фотонов считаются одним из важнейших компонентов квантовых вычислительных устройств и систем квантовой защищенной связи. Такие устройства необходимы для передачи информации между отдельными узлами квантовых сетей, без чего их промышленное применение будет невозможным. Как правило, большинство существующих разработок такого рода работает лишь при температурах, близких к абсолютному нулю, что сильно ограничивает сферу их применения, или обладает крайне низкой скоростью работы.
Команда Федянина уже несколько лет работает над созданием принципиально новых источников частиц света, изучая различные "экзотические" материалы, которые крайне редко применяются при изготовлении светодиодов и других излучателей, или не применяются для таких целей вообще. К примеру, год назад им удалось превратить алмазы, содержащие в себе примеси атомов других элементов, в своеобразные "фотонные револьверы", способные испускать одиночные частицы света при комнатной температуре.
В своей новой работе Федянин и его коллеги нашли еще более интересный материал для создания подобных излучателей, способный ускорить квантовый интернет в десятки и сотни раз, изучая одно из самых первых полупроводниковых соединений, которое физикам удалось заставить излучать свет – карбид кремния.
Этот материал сегодня применяется в основном в автомобильной, обрабатывающей и ювелирной промышленности, однако относительно недавно, около 30-40 лет назад, он был основой большинства светодиодов, изготовлявшихся как в СССР, так и в зарубежных странах. Позже ученые обнаружили, что другие полупроводники, такие как нитрид галлия или его производные, обладают гораздо более высоким КПД, и карбид кремния забыли.
Российские физики выяснили, что подобное забвение было абсолютно незаслуженным. Их расчеты и эксперименты показали, что одиночный дефект внутри кристалла карбида кремния может вырабатывать примерно 5 миллиардов частиц света каждую секунду, что является рекордно высоким значением на сегодняшний день даже по сравнению с дефектными алмазами.
Что важно, карбид кремния ведет себя подобным образом при комнатной температуре и не требует особых условий для работы, а также интеграции в кремниевые микросхемы. Благодаря этому, как отмечают ученые, однофотонные излучатели света, построенные на базе подобных "дефектов", смогут передавать зашифрованную информацию со скоростью в несколько гигабит в секунду, что в десятки и сотни раз больше, чем у современных квантовых сетей, и сопоставимо со скоростью работы обычного интернета.
Как признают физики, скорее всего, существуют и другие материалы, способные излучать фотоны со столь же высокой скоростью. Однако они, по мнению Федянина и его коллег, вряд ли будут совместимы с промышленными технологиями производства микросхем, в отличие от карбида кремния.