I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca hanno riscoperto un materiale che potrebbe essere la base per Internet quantistico ad altissima velocità. Il loro articolo pubblicato su npj Informazioni quantistiche mostra come aumentare la velocità di trasferimento dei dati in linee di comunicazione quantistiche incondizionatamente sicure a più di un gigabit al secondo, rendere Internet quantistico veloce quanto la sua controparte classica.

Giganti del settore tra cui Google, IBM e Microsoft, e i principali centri di ricerca e università internazionali, sono coinvolti nello sforzo globale per costruire un computer quantistico. I computer quantistici potrebbero violare la sicurezza di tutte le reti di trasferimento dati classiche. Oggi, i dati sensibili come le comunicazioni personali o le informazioni finanziarie sono protetti utilizzando algoritmi di crittografia che impiegherebbero anni per decifrare un classico supercomputer. Un computer quantistico potrebbe plausibilmente farlo in pochi secondi.

Per fortuna, le tecnologie quantistiche forniscono anche un modo per neutralizzare questa minaccia. I moderni algoritmi crittografici classici sono basati sulla complessità, e possono rimanere al sicuro solo per un certo periodo di tempo. A differenza della sua controparte classica, la crittografia quantistica si basa sulle leggi fondamentali della fisica, che può garantire per sempre la sicurezza della trasmissione dei dati. Il principio di funzionamento si basa sul fatto che uno stato quantico sconosciuto non può essere copiato senza alterare il messaggio originale. Ciò significa che una linea di comunicazione quantistica non può essere compromessa senza che il mittente e il destinatario lo sappiano. Anche un computer quantistico non sarebbe di alcuna utilità per gli intercettatori.

fotoni, quanti di luce, sono i migliori vettori per i bit quantistici. Possono essere utilizzati solo singoli fotoni; altrimenti, un intercettatore potrebbe intercettare uno dei fotoni trasmessi e ottenere una copia del messaggio. Il principio della generazione di un singolo fotone è abbastanza semplice:un sistema quantistico eccitato può rilassarsi nello stato fondamentale emettendo esattamente un fotone. Ciò richiederebbe un sistema fisico reale che generi in modo affidabile singoli fotoni in condizioni ambientali. Però, un tale sistema non è facile da sviluppare. Per esempio, i punti quantici potrebbero essere una buona opzione, ma funzionano bene solo se raffreddati sotto i -200 gradi Celsius, mentre i nuovi materiali bidimensionali come il grafene sono semplicemente incapaci di generare singoli fotoni ad un alto tasso di ripetizione sotto eccitazione elettrica.

I ricercatori del MIPT stanno esplorando il carburo di silicio, un materiale semiconduttore a lungo dimenticato nell'optoelettronica. "Nel 2014, stavamo studiando il diamante, e abbiamo rivolto la nostra attenzione al carburo di silicio quasi per caso. Abbiamo pensato che avesse un grande potenziale, " dice Dmitry Fedyanin. Tuttavia, come spiega, l'emissione elettrica di singoli fotoni in questo semiconduttore è stata raggiunta solo un anno dopo, nel 2015, da un gruppo di ricerca australiano.

Sorprendentemente, il carburo di silicio è un materiale che ha dato il via a tutta l'optoelettronica:il fenomeno dell'elettroluminescenza, in cui una corrente elettrica fa sì che un materiale emetta luce, è stata osservata per la prima volta nel carburo di silicio. Negli anni '20, il materiale è stato utilizzato nei primi diodi emettitori di luce (LED) al mondo. Negli anni '70, I LED al carburo di silicio sono stati prodotti in serie nell'Unione Sovietica. Però, dopo di che, il carburo di silicio ha perso la battaglia contro i semiconduttori a banda proibita diretta ed è stato abbandonato dall'optoelettronica. Oggi, questo materiale è noto soprattutto per essere estremamente duro e resistente al calore:viene utilizzato nell'elettronica ad alta potenza, giubbotto antiproiettile, e i freni delle auto sportive prodotte da Porsche, Lamborghini, e Ferrari.

Insieme ai suoi colleghi, Fedyanin ha studiato la fisica dell'elettroluminescenza dei centri di colore nel carburo di silicio e ha elaborato una teoria dell'emissione di un singolo fotone dopo l'iniezione elettrica che spiega e riproduce accuratamente i risultati sperimentali. Un centro di colore è un difetto puntiforme nella struttura reticolare del carburo di silicio che può emettere o assorbire un fotone a una lunghezza d'onda alla quale il materiale è trasparente in assenza di difetti. Questo processo è al centro della sorgente a singolo fotone azionata elettricamente.

Usando la loro teoria, i ricercatori hanno dimostrato di aver migliorato un diodo a emissione di fotone singolo basato sul carburo di silicio per emettere fino a diversi miliardi di fotoni al secondo. Così, è possibile implementare protocolli di crittografia quantistica a velocità di trasferimento dati dell'ordine di 1 Gbps. I coautori dello studio Igor Khramtsov e Andrey Vyshnevyy sottolineano che è probabile che si trovino nuovi materiali che rivaleggiano con il carburo di silicio in termini di luminosità dell'emissione di un singolo fotone. Però, a differenza del carburo di silicio, richiederanno nuovi processi tecnologici per essere utilizzati nella produzione di massa di dispositivi. Al contrario, le sorgenti a singolo fotone a base di carburo di silicio sono compatibili con la tecnologia CMOS, che è uno standard per la produzione di circuiti integrati elettronici. Ciò rende il carburo di silicio di gran lunga il materiale più promettente per la costruzione di linee di comunicazione dati incondizionatamente sicure a larghezza di banda ultralarga.