Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont redécouvert un matériau qui pourrait être à la base d'un Internet quantique ultra-rapide. Leur article publié dans Informations quantiques npj montre comment augmenter le taux de transfert de données dans des lignes de communication quantique sécurisées inconditionnellement à plus d'un gigabit par seconde, rendre l'Internet quantique aussi rapide que son homologue classique.

Les géants de l'industrie, dont Google, IBM et Microsoft, et des centres de recherche et universités internationaux de premier plan, sont impliqués dans l'effort mondial pour construire un ordinateur quantique. Les ordinateurs quantiques pourraient briser la sécurité de tous les réseaux de transfert de données classiques. Aujourd'hui, les données sensibles telles que les communications personnelles ou les informations financières sont protégées à l'aide d'algorithmes de cryptage qui prendraient des années à un superordinateur classique à déchiffrer. Un ordinateur quantique pourrait le faire en quelques secondes.

Heureusement, les technologies quantiques offrent également un moyen de neutraliser cette menace. Les algorithmes cryptographiques classiques modernes sont basés sur la complexité, et ne peut rester en sécurité que pendant un certain temps. Contrairement à son homologue classique, la cryptographie quantique repose sur les lois fondamentales de la physique, qui peut garantir la sécurité de la transmission des données pour toujours. Le principe de fonctionnement est basé sur le fait qu'un état quantique inconnu ne peut pas être copié sans altérer le message d'origine. Cela signifie qu'une ligne de communication quantique ne peut pas être compromise à l'insu de l'expéditeur et du destinataire. Même un ordinateur quantique ne serait d'aucune utilité pour les indiscrets.

photons, quanta de lumière, sont les meilleurs porteurs de bits quantiques. Seuls des photons uniques peuvent être utilisés; autrement, un espion peut intercepter l'un des photons transmis et obtenir une copie du message. Le principe de la génération d'un seul photon est assez simple :un système quantique excité peut se détendre dans l'état fondamental en émettant exactement un photon. Cela nécessiterait un système physique réel qui génère de manière fiable des photons uniques dans des conditions ambiantes. Cependant, un tel système n'est pas facile à développer. Par exemple, les points quantiques pourraient être une bonne option, mais ils ne fonctionnent bien que lorsqu'ils sont refroidis en dessous de -200 degrés Celsius, tandis que les nouveaux matériaux bidimensionnels tels que le graphène sont tout simplement incapables de générer des photons uniques à un taux de répétition élevé sous excitation électrique.

Les chercheurs du MIPT explorent le carbure de silicium, un matériau semi-conducteur longtemps oublié en optoélectronique. "En 2014, nous étudiions le diamant, et tourné notre attention vers le carbure de silicium presque par accident. Nous avons pensé qu'il avait un potentiel énorme, " dit Dmitri Fedyanin. Cependant, comme il l'explique, l'émission électrique de photons uniques dans ce semi-conducteur n'a été réalisée qu'un an plus tard, en 2015, par une équipe de recherche australienne.

Étonnamment, le carbure de silicium est un matériau à l'origine de toute l'optoélectronique :Le phénomène d'électroluminescence, dans lequel un courant électrique fait émettre de la lumière à un matériau, a été observée pour la première fois dans le carbure de silicium. Dans les années 1920, le matériau a été utilisé dans les premières diodes électroluminescentes (DEL) au monde. Dans les années 70, les LED au carbure de silicium ont été produites en série en Union soviétique. Cependant, après ça, le carbure de silicium a perdu la bataille contre les semi-conducteurs à bande interdite directe et a été abandonné par l'optoélectronique. De nos jours, ce matériau est surtout connu pour être extrêmement dur et résistant à la chaleur - il est utilisé dans l'électronique haute puissance, gilets pare-balles, et les freins des voitures de sport produites par Porsche, Lamborghini, et Ferrari.

Avec ses collègues, Fedyanin a étudié la physique de l'électroluminescence des centres de couleur dans le carbure de silicium et a proposé une théorie de l'émission de photons uniques lors d'une injection électrique qui explique et reproduit avec précision les résultats expérimentaux. Un centre de couleur est un défaut ponctuel dans la structure réticulaire du carbure de silicium qui peut émettre ou absorber un photon à une longueur d'onde à laquelle le matériau est transparent en l'absence de défauts. Ce processus est au cœur de la source à photon unique à commande électrique.

En utilisant leur théorie, les chercheurs ont montré une amélioration d'une diode électroluminescente monophotonique à base de carbure de silicium afin d'émettre jusqu'à plusieurs milliards de photons par seconde. Ainsi, il est possible de mettre en oeuvre des protocoles de cryptographie quantique à des débits de transfert de données de l'ordre de 1 Gbps. Les co-auteurs de l'étude Igor Khramtsov et Andrey Vyshnevyy soulignent que de nouveaux matériaux sont susceptibles d'être trouvés qui rivalisent avec le carbure de silicium en termes de luminosité de l'émission de photons uniques. Cependant, contrairement au carbure de silicium, ils nécessiteront l'utilisation de nouveaux procédés technologiques dans la production de masse d'appareils. Par contre, les sources monophotoniques à base de carbure de silicium sont compatibles avec la technologie CMOS, qui est une norme pour la fabrication de circuits intégrés électroniques. Cela fait du carbure de silicium de loin le matériau le plus prometteur pour la construction de lignes de communication de données pratiques à ultralarge bande passante et inconditionnellement sécurisées.