Иллюстрация. Однофотонная электролюминесценция центров окраски в карбиде кремния (SiC). Дизайнер: Елена Хавина, пресс-служба МФТИ

Физики из МФТИ нашли «забытый» материал, который может стать основой для высокоскоростного квантового интернета. В статье, опубликованной в ведущем журнале по квантовым технологиям Nature Partner Journal Quantum Information, показано, как повысить до более чем 1 Гбит/с скорость передачи информации по каналу, абсолютно защищённому законами физики, и сделать квантовый интернет таким же быстрым, как классический.

Весь мир ведёт гонку по созданию квантовых компьютеров. В неё уже давно включились индустриальные гиганты Google, IBM, Microsoft и лидирующие международные исследовательские центры и университеты. Пока неизвестно, когда появятся такие устройства, но мир готовится к их появлению. Дело в том, что квантовый компьютер может вызвать переворот в сфере информационной безопасности. Конфиденциальность передаваемой информации (личная переписка, банковская информация  и т. п.), обеспечивается сегодня алгоритмами шифрования, для взлома которых классическому суперкомпьютеру потребуются годы. Ожидается, что квантовый компьютер сможет сделать это за доли секунды.

К счастью, уже предложено «противоядие», позволяющее на 100% защитить передаваемую информацию от квантовых компьютеров и вообще всевозможных видов атак. Речь идёт о квантовой криптографии, стойкость которой обеспечивается не сложностью расшифровки, а законами квантовой физики. Её 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.

Передавать информацию лучше всего с помощью квантов света — фотонов, — несущих квантовые биты. Крайне важно использовать именно одиночные фотоны, иначе злоумышленник сможет перехватить дополнительные фотоны и получить копию сообщения. Принцип генерации одиночных фотонов достаточно прост. Возбуждённая квантовая система может перейти в основное состояние с испусканием ровно одного кванта света. Остаётся только найти подходящую для практического использования квантовую систему. В этом и состоит вся сложность. К примеру, квантовые точки хорошо работают только при очень низких температурах (порядка −200 °C), а ультрасовременные двумерные материалы, такие как графен, просто не могут часто излучать фотоны при электрическом возбуждении.

Решение исследователей из МФТИ состоит в использовании уже забытого сегодня в оптоэлектронике материала — карбида кремния. «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 учёных из Австралии.

Как ни странно, но именно с карбида кремния началась ни много ни мало 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 твёрдый и термостойкий материал, из которого изготавливаются электротехнические элементы, бронежилеты и тормозные колодки суперкаров Porsche, Lamborghini и Ferrari.

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 решётки, 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. Два других автора исследования, Игорь Храмцов и Андрей Вишнёвый, 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.

Ссылка на оригинальную статью: I. A. Khramtsov, A. A. Vyshnevyy, D. Yu. Fedyanin, Enhancing the brightness of electrically driven single-photon sources using color centers in silicon carbide, npj Quantum Information 4, 15 (2018).