Немецкие ученые создали новый способ генерировать инфракрасные одиночные фотоны на основе кремния. Источник создает до 100 тыс. фотонов в секунду. Подход может объединить квантовую криптографию с популярными полупроводниковыми технологиями.
Квантовое распределение ключей используют для обеспечения безопасности данных. Суть способа в выработке общего секретного ключа шифрования для двух удаленных пользователей, используя только открытый канал связи. В основе метода — законы квантовой механики. Третью сторону, которая пытается расшифровать ключ, всегда можно обнаружить. Собственно процесс измерения квантовой состояния приводит к аномалиям — квантовому индетерменизму. При этом ключ успешно создается только в том случае, когда аномалии не превышают заданного порога.
Протоколы передачи квантовой криптографии основаны на передаче одиночных фотонов. Фотоны — это кванты света в виде поперечных электромагнитных волн. Однофотонная система обеспечивает безопасность способу. Если фотонов будет несколько, то их можно перехватить и подобрать ключ таким же путем, как это делают допущенные пользователи. Но есть особенности у источников одиночных фотонов. Несмотря на достигнутый прогресс при их создании применяют слабые лазерные импульсы. И другая фундаментальная проблема — шум. Оптоволокно по-разному нагревается из-за передачи отдельными фотонами, а потому может быть изогнуто. Из-за этих ограничений сейчас существуют пределы пропускной способности квантовой связи. По стандартному кабелю передается 1,26 мегабита в секунду на расстояние 50 км. И 1,16 бита в час на расстояние 404 км по специальному кабелю с ультранизкими потерями данных.
Физики из Дрезденского технического университета под руководством Михаэля Холленбаха (Michael Hollenbach) и ученые из Центра им.Гельмгольца Дрезден-Россендорф создали систему источников одиночных фотонов на основе пластин SOI из кремния. Кремниевые чипы лежат в основе всех современных устройств, включая процессоры и микроконтроллеры. Как правило, микросхемы изготавливают из монокристаллического кремния.
При помощи ускорителя немецкие ученые поместили в кремний атомы углерода. Два соседних атома C вместе с атомом кремния Si образовали отдельную молекулу, называемую G-центром. G-центр излучает фотоны, находясь под фокусируемым лазером длиной 1,3 микрона. Фотоны данного вида без препятствий распространяются по оптоволокну.
Прототип генератора, созданный немецкими физиками, может создавать порядка 100 тыс. одиночных фотонов. Все научные испытания проводили на пластине SOI, установленной в криостат замкнутого цикла Attocube 800, который обеспечивал базовую температуру в 4,6К.
Авторы исследования сообщают, что впервые продемонстрировали допустимость размещения в промышленных пластинах SOI однофотонных излучателей. Они также представили концепцию реализации фотонной платформы, совместимой с современными кремниевыми технологиями.
Открытие поможет внедрить квантовые процессоры и ретрансляторы в существующие системы, использующие кремниевые компоненты.
Результаты исследования опубликованы в журнале Optiсs Express.
