Bude kvantová komunikace hackuvzdorná? Kredit: MIT/ Mikhail Shalaginov.

Žijeme v době hackerské. Kybernetičtí útočníci napadají úplně všechno, co je připojeno online, od sociálních médií až po tajné vládní sítě. Alespoň z části by je mohl zastavit kvantový internet, který by využíval komunikaci pomocí fotonů. Vývoj kvantové komunikace v současnosti ovšem vázne na nedostatečném množství jednotlivých fotonů, které mohou nést informaci. Stávající kvantové emitory jich za pokojové teploty vysílají příliš málo.

Simeon Bogdanov. Kredit: S. Bogdanov.

Simeon Bogdanov z americké Purdueovy univerzity a jeho kolegové vyvinuli novou technologii, se kterou je možné emitovat potřebné fotony stokrát rychleji, než to bylo doposud možné. Jejich kvantový emitor chrlí přes 35 milionů jednotlivých fotonů za sekundu. Zvýšení rychlosti produkce těchto fotonů podle Bogdanova umožňuje poslat za sekundu nikoliv sotva větu kvantové komunikace, ale poměrně velký kus informace, který odpovídá souboru megabytové velikosti, a to s extrémně vysokým zabezpečením. Výzkum jejich týmu nedávno uveřejnil časopis Nano Letters.

Vysoká rychlost produkce potřebných fotonů by teď mohla umožnit vznik ultrazabezpečeného kvantového internetu. Budou ho tvořit zařízení, která si budou posílat rychlé proudy jednotlivých fotonů nesoucích informaci. Bogdanov optimisticky tvrdí, že pak by nezáleželo na tom, jak bude hacker technologicky vyspělý. Fyzikální zákony podle něj neumožňují, aby hackeři infiltrovali komunikaci kvantovými kanály, aniž by to někdo detekoval. Na kvantové úrovni jsou částice příliš citlivé na takový typ narušení. Nicméně, autor komentáře by hackery tak úplně nepodceňoval. Určitě budou intenzivně hledat cestu, jak kvantovou komunikaci nabořit, přímo, či nějakou rafinovanou oklikou. Každopádně s tím ale budou mít dost práce.

Posílání informací prostřednictvím fotonů je hrou s pravděpodobností. Přenesení 1 bitu informace může zabrat více pokusů. Tím spíš platí, že čím více potřebných fotonů jejich zdroj vygeneruje, tím rychlejší je úspěšný přenos informace. Bogdanov k tomu podotýká, že zdroj sice může generovat ohromné množství fotonů za sekundu, ale k přenosu informace jich je možné ve skutečnosti využít jen málo.

Aby Bogdanov a spol. dosáhli rychlejší kvantové komunikace, tak vyladili proces excitace elektronů laserovými pulzy ve speciálně upravené krystalové mřížce. Použili k tomu nanodiamanty o velikosti pouhých 10 nanometrů, které uzavřeli mezi kostkou ze stříbra a tenký stříbrný film. V nanodiamantech vystopovali defekty, takzvaná nitrogen-vacancy (NV) centra, která vznikají nahrazením 2 atomů uhlíku z krystalové mřížky diamantu atomem dusíku (nitrogen) a prázdným místem (vacancy).

K těmto NV centrům na nanodiamantech připojili kovové nanoantény, které dovedou přeměnit plazmony přicházející z NV centra na fotony. Zní to jako nanomagie, ale takové zařízení chrlí jednotlivé fotony obrovskou rychlostí. S podobnými zdroji fotonů teď kvantová komunikace může dramaticky zrychlit. Výborné je, že nový kvantový emitor fotonů pracuje za pokojové teploty. Srovnatelně výkonná zařízení přitom doposud fungovala za velice nízkých teplot, což je dost nepraktické. Bogdanov s kolegy teď adaptují kvantový emitor na čipy, aby ho bylo možné využít v dalších technologiích.

Video:  Vlad Shalaev, "Metamaterial-enhanced single-photon source"


Literatura
Phys.org 16. 10. 2018, Nano Letters 18: 4837–4844.