Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou redescobriram um material que pode ser a base para uma internet quântica de ultra-alta velocidade. Seu artigo publicado em npj Quantum Information mostra como aumentar a taxa de transferência de dados em linhas de comunicação quântica incondicionalmente seguras para mais de um gigabit por segundo, tornando a internet quântica tão rápida quanto sua contraparte clássica.

Gigantes da indústria, incluindo o Google, IBM e Microsoft, e principais centros de pesquisa e universidades internacionais, estão envolvidos no esforço global para construir um computador quântico. Os computadores quânticos podem quebrar a segurança de todas as redes clássicas de transferência de dados. Hoje, dados confidenciais, como comunicações pessoais ou informações financeiras, são protegidos por algoritmos de criptografia que um supercomputador clássico levaria anos para quebrar. Um computador quântico poderia fazer isso em alguns segundos.

Felizmente, as tecnologias quânticas também fornecem uma maneira de neutralizar essa ameaça. Algoritmos criptográficos clássicos modernos são baseados em complexidade, e pode permanecer seguro apenas por um determinado período de tempo. Ao contrário de sua contraparte clássica, a criptografia quântica depende das leis fundamentais da física, que pode garantir a segurança da transmissão de dados para sempre. O princípio de operação é baseado no fato de que um estado quântico desconhecido não pode ser copiado sem alterar a mensagem original. Isso significa que uma linha de comunicação quântica não pode ser comprometida sem que o emissor e o receptor saibam. Mesmo um computador quântico seria inútil para bisbilhoteiros.

Fótons, quanta de luz, são os melhores portadores de bits quânticos. Apenas fótons individuais podem ser usados; de outra forma, um bisbilhoteiro pode interceptar um dos fótons transmitidos e obter uma cópia da mensagem. O princípio da geração de um único fóton é bastante simples:um sistema quântico excitado pode relaxar no estado fundamental emitindo exatamente um fóton. Isso exigiria um sistema físico do mundo real que gerasse fótons únicos de maneira confiável sob as condições ambientais. Contudo, tal sistema não é fácil de desenvolver. Por exemplo, pontos quânticos podem ser uma boa opção, mas eles só funcionam bem quando resfriados abaixo de -200 graus Celsius, enquanto novos materiais bidimensionais como o grafeno são simplesmente incapazes de gerar fótons únicos em uma alta taxa de repetição sob excitação elétrica.

Os pesquisadores do MIPT estão explorando o carboneto de silício, um material semicondutor há muito esquecido na optoeletrônica. "Em 2014, estávamos estudando diamantes, e voltamos nossa atenção para o carboneto de silício quase por acidente. Descobrimos que tinha um vasto potencial, "diz Dmitry Fedyanin. No entanto, como ele explica, a emissão eletricamente acionada de fótons únicos neste semicondutor só foi alcançada um ano depois, em 2015, por uma equipe de pesquisa australiana.

Surpreendentemente, o carboneto de silício é um material que deu início a toda a optoeletrônica:O fenômeno da eletroluminescência, em que uma corrente elétrica faz com que um material emita luz, foi observada pela primeira vez em carboneto de silício. Na década de 1920, o material foi usado nos primeiros diodos emissores de luz (LEDs) do mundo. Nos anos 70, LEDs de carboneto de silício foram produzidos em massa na União Soviética. Contudo, depois disso, o carboneto de silício perdeu a batalha contra os semicondutores de gap direto e foi abandonado pela optoeletrônica. Hoje em dia, este material é mais conhecido por ser extremamente duro e resistente ao calor - é usado em eletrônicos de alta potência, Coletes à prova de balas, e os freios dos carros esportivos produzidos pela Porsche, Lamborghini, e Ferrari.

Junto com seus colegas, Fedyanin estudou a física da eletroluminescência dos centros de cor no carboneto de silício e propôs uma teoria da emissão de fóton único na injeção elétrica que explica e reproduz com precisão os resultados experimentais. Um centro de cor é um defeito pontual na estrutura de rede do carboneto de silício que pode emitir ou absorver um fóton em um comprimento de onda para o qual o material é transparente na ausência de defeitos. Esse processo está no cerne da fonte de fóton único acionada eletricamente.

Usando sua teoria, os pesquisadores demonstraram melhorias em um diodo emissor de fóton único baseado em carboneto de silício para emitir até vários bilhões de fótons por segundo. Assim, é possível implementar protocolos de criptografia quântica em taxas de transferência de dados da ordem de 1 Gbps. Os coautores do estudo, Igor Khramtsov e Andrey Vyshnevyy, apontam que é provável que novos materiais sejam encontrados que rivalizam com o carboneto de silício em termos de brilho de emissão de fóton único. Contudo, ao contrário do carboneto de silício, eles exigirão novos processos tecnológicos a serem usados ​​na produção em massa de dispositivos. Por contraste, fontes de fóton único baseadas em carboneto de silício são compatíveis com a tecnologia CMOS, que é um padrão para a fabricação de circuitos integrados eletrônicos. Isso torna o carboneto de silício de longe o material mais promissor para a construção de linhas práticas de comunicação de dados de largura de banda ultralarga e incondicionalmente seguras.