Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú han redescubierto un material que podría ser la base de Internet cuántica de ultra alta velocidad. Su artículo publicado en npj Información cuántica muestra cómo aumentar la tasa de transferencia de datos en líneas de comunicación cuántica incondicionalmente seguras a más de un gigabit por segundo, haciendo que la Internet cuántica sea tan rápida como su contraparte clásica.

Gigantes de la industria, incluido Google, IBM y Microsoft, y los principales centros de investigación y universidades internacionales, están involucrados en el esfuerzo global para construir una computadora cuántica. Las computadoras cuánticas podrían romper la seguridad de todas las redes clásicas de transferencia de datos. Hoy dia, Los datos confidenciales, como las comunicaciones personales o la información financiera, se protegen mediante algoritmos de cifrado que a una supercomputadora clásica le llevaría años descifrar. Una computadora cuántica posiblemente podría hacerlo en unos pocos segundos.

Afortunadamente, Las tecnologías cuánticas también proporcionan una forma de neutralizar esta amenaza. Los algoritmos criptográficos clásicos modernos se basan en la complejidad, y puede permanecer seguro solo durante un cierto período de tiempo. A diferencia de su contraparte clásica, La criptografía cuántica se basa en las leyes fundamentales de la física, que puede garantizar la seguridad de la transmisión de datos para siempre. El principio de funcionamiento se basa en el hecho de que un estado cuántico desconocido no se puede copiar sin alterar el mensaje original. Esto significa que una línea de comunicación cuántica no puede verse comprometida sin que el remitente y el receptor lo sepan. Incluso una computadora cuántica no sería útil para los fisgones.

Fotones, cuantos de luz, son los mejores portadores de bits cuánticos. Solo se pueden utilizar fotones individuales; de lo contrario, un fisgón podría interceptar uno de los fotones transmitidos y obtener una copia del mensaje. El principio de generación de un solo fotón es bastante simple:un sistema cuántico excitado puede relajarse en el estado fundamental emitiendo exactamente un fotón. Esto requeriría un sistema físico del mundo real que genere fotones individuales de manera confiable en condiciones ambientales. Sin embargo, tal sistema no es fácil de desarrollar. Por ejemplo, los puntos cuánticos podrían ser una buena opción, pero solo funcionan bien cuando se enfrían por debajo de -200 grados Celsius, mientras que los nuevos materiales bidimensionales como el grafeno simplemente no pueden generar fotones individuales a una alta tasa de repetición bajo excitación eléctrica.

Los investigadores del MIPT están explorando el carburo de silicio, un material semiconductor olvidado hace mucho tiempo en optoelectrónica. "En 2014, estábamos estudiando diamantes, y dirigimos nuestra atención al carburo de silicio casi por accidente. Pensamos que tenía un gran potencial, "dice Dmitry Fedyanin. Sin embargo, como él explica, La emisión de fotones individuales impulsada eléctricamente en este semiconductor solo se logró un año después, en 2015, por un equipo de investigación australiano.

Asombrosamente, El carburo de silicio es un material que inició toda la optoelectrónica:el fenómeno de la electroluminiscencia, en el que una corriente eléctrica hace que un material emita luz, se observó por primera vez en carburo de silicio. En la década de 1920, el material se utilizó en los primeros diodos emisores de luz (LED) del mundo. En los 70, Los LED de carburo de silicio se producían en masa en la Unión Soviética. Sin embargo, después, El carburo de silicio perdió la batalla contra los semiconductores de banda prohibida directa y fue abandonado por la optoelectrónica. Hoy en día, este material es conocido principalmente por ser extremadamente duro y resistente al calor; se utiliza en electrónica de alta potencia, chalecos antibalas, y los frenos de los coches deportivos producidos por Porsche, Lamborghini, y Ferrari.

Junto con sus colegas, Fedyanin estudió la física de la electroluminiscencia de los centros de color en el carburo de silicio y propuso una teoría de la emisión de un solo fotón tras la inyección eléctrica que explica y reproduce con precisión los hallazgos experimentales. Un centro de color es un defecto puntual en la estructura reticular del carburo de silicio que puede emitir o absorber un fotón en una longitud de onda a la que el material es transparente en ausencia de defectos. Este proceso está en el corazón de la fuente de fotón único accionada eléctricamente.

Usando su teoría, Los investigadores han demostrado que se ha mejorado un diodo emisor de fotón único basado en carburo de silicio para emitir hasta varios miles de millones de fotones por segundo. Por lo tanto, es posible implementar protocolos de criptografía cuántica a velocidades de transferencia de datos del orden de 1 Gbps. Los coautores del estudio, Igor Khramtsov y Andrey Vyshnevyy, señalan que es probable que se encuentren nuevos materiales que compitan con el carburo de silicio en términos de brillo de la emisión de un solo fotón. Sin embargo, a diferencia del carburo de silicio, requerirán nuevos procesos tecnológicos para ser utilizados en la producción masiva de dispositivos. Por el contrario, Las fuentes de fotón único basadas en carburo de silicio son compatibles con la tecnología CMOS, que es un estándar para la fabricación de circuitos integrados electrónicos. Esto hace que el carburo de silicio sea, con mucho, el material más prometedor para construir líneas de comunicación de datos prácticas de ancho de banda ultraancho, incondicionalmente seguras.