I ricercatori di Purdue hanno creato una nuova fonte di luce che genera almeno 35 milioni di fotoni al secondo, aumentare la velocità della comunicazione quantistica. Credito:immagine del Massachusetts Institute of Technology/Mikhail Shalaginov
Gli attacchi degli hacker a qualsiasi cosa, dagli account dei social media ai file del governo, potrebbero essere ampiamente prevenuti dall'avvento della comunicazione quantistica, che utilizzerebbe particelle di luce chiamate "fotoni" per proteggere le informazioni piuttosto che un codice decifrabile.
Il problema è che la comunicazione quantistica è attualmente limitata dalla quantità di informazioni che i singoli fotoni possono aiutare a inviare in modo sicuro, chiamato "bit rate segreto". I ricercatori della Purdue University hanno creato una nuova tecnica che aumenterebbe il bit rate segreto di 100 volte, a oltre 35 milioni di fotoni al secondo.
"L'aumento del bit rate ci consente di utilizzare singoli fotoni per inviare non solo una frase al secondo, ma piuttosto un'informazione relativamente grande con estrema sicurezza, come un file delle dimensioni di un megabyte, " disse Simeon Bogdanov, un ricercatore post-dottorato Purdue in ingegneria elettrica e informatica.
Infine, un bit rate elevato consentirà una "Internet quantistica" ultra sicura, " una rete di canali chiamati "guide d'onda" che trasmetteranno singoli fotoni tra dispositivi, patatine fritte, luoghi o soggetti in grado di elaborare informazioni quantistiche.
"Non importa quanto sia avanzato dal punto di vista computazionale un hacker, sarebbe sostanzialmente impossibile per le leggi della fisica interferire con questi canali di comunicazione quantistica senza essere scoperti, poiché a livello quantistico, la luce e la materia sono così sensibili ai disturbi, " ha detto Bogdanov.
L'opera è stata pubblicata per la prima volta online a luglio per l'inclusione in una stampa Nano lettere uscita l'8 agosto 2018.
Usare la luce per inviare informazioni è un gioco di probabilità:la trasmissione di un bit di informazione può richiedere più tentativi. Più fotoni può generare una sorgente di luce al secondo, maggiore è la velocità di trasmissione delle informazioni di successo.
Il centro quantistico della Purdue University, inclusi Simeon Bogdanov (a sinistra) e Sajid Choudhury (a destra), sta studiando come far progredire la comunicazione quantistica per usi pratici. Credito:immagine della Purdue University/Susan Fleck
"Una sorgente potrebbe generare molti fotoni al secondo, ma solo alcuni di essi possono essere effettivamente utilizzati per trasmettere informazioni, che limita fortemente la velocità della comunicazione quantistica, " ha detto Bogdanov.
Per una comunicazione quantistica più veloce, I ricercatori della Purdue hanno modificato il modo in cui un impulso di luce proveniente da un raggio laser eccita gli elettroni in un "difetto" artificiale. "o disturbo locale in un reticolo cristallino, e poi come questo difetto emette un fotone alla volta.
I ricercatori hanno accelerato questi processi creando una nuova fonte di luce che include un minuscolo diamante grande solo 10 nanometri, racchiusa tra un cubo d'argento e una pellicola d'argento. All'interno del nanodiamante, hanno individuato un unico difetto, risultante dalla sostituzione di un atomo di carbonio con azoto e da un vuoto lasciato da un atomo di carbonio adiacente mancante.
L'azoto e l'atomo mancante formavano insieme un cosiddetto "centro di azoto vacante" in un diamante con gli elettroni che orbitano attorno ad esso.
Un'antenna metallica accoppiata a questo difetto ha facilitato l'interazione dei fotoni con gli elettroni orbitanti del centro vuoto dell'azoto, attraverso particelle ibride di materia leggera chiamate "plasmoni". Dal centro che assorbe ed emette un plasmone alla volta, e la nanoantenna che converte i plasmoni in fotoni, il tasso di generazione di fotoni per la comunicazione quantistica è diventato notevolmente più veloce.
"Abbiamo dimostrato la sorgente a singolo fotone più brillante a temperatura ambiente. Di solito le sorgenti con luminosità comparabile funzionano solo a temperature molto basse, che è poco pratico per l'implementazione su chip per computer che useremmo a temperatura ambiente, " disse Vlad Shalaev, il Bob e Anne Burnett Distinguished Professor di Ingegneria Elettrica e Informatica.
Prossimo, i ricercatori adatteranno questo sistema per circuiti su chip. Ciò significherebbe collegare l'antenna plasmonica con guide d'onda in modo che i fotoni possano essere indirizzati a diverse parti del chip anziché irradiarsi in tutte le direzioni.
