يعمل كاشف الفوتون الجديد على تسريع توزيع المفاتيح الكمومية

كشف النقاب عن كاشف فوتون واحد يمكن أن يعزز أداء بعض أنظمة تشفير توزيع المفتاح الكمومي (QKD) بواسطة هوغو زبيندن وزملائهم في جامعة جنيف و معرف كوانتيك في سويسرا. يحتوي الجهاز على 14 سلكًا نانويًا متشابكًا فائق التوصيل ، والتي تشترك في مهمة الكشف عن الفوتون.

يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل أن تكسر أنظمة التشفير التقليدية. ومع ذلك ، يجب أن تظل أنظمة التشفير الكمي آمنة من المتسللين - على الأقل من حيث المبدأ. أحد هذه الأنظمة هو توزيع المفاتيح الكمومية (QKD) ، والذي يستخدم قوانين ميكانيكا الكم لضمان أن يمكن لطرفين متصلين تبادل مفاتيح التشفير بأمان.

يتضمن QKD إرسال واستقبال سلاسل من الفوتونات في حالات استقطاب محددة. إذا اعترض متنصت هذا الاتصال ، فإنه يعطل الطبيعة الكمية للمعلومات وبالتالي ينبه المراسلين.

معدلات ساعة محدودة

في حين أن أنظمة QKD التجارية تستخدم بالفعل في بعض التطبيقات المتخصصة ، فإن الاستخدام الأكثر انتشارًا للتقنية مقيد بـ "معدل الساعة" الذي يمكن من خلاله إنشاء الفوتونات وإرسالها واكتشافها. يقول زبيندن: "لقد زادت معدلات ساعة هذه الأنظمة بشكل مستمر خلال الثلاثين عامًا الماضية". "ولكن في الأنظمة الحديثة ، أصبحت سرعة أجهزة الكشف والمعالجة اللاحقة عاملاً مقيدًا لمعدلات مفاتيح سرية عالية في QKD."

تتحكم أسعار المفاتيح هذه في السرعة التي يمكن للأطراف المتصلين من خلالها تبادل مفتاح كم آمن. تتيح معدلات المفاتيح الأعلى للمستخدمين تبادل المزيد من المعلومات - بشكل أكثر أمانًا وبسرعات أعلى.

تستخدم أنظمة QKD الحالية كاشفات الفوتون الأحادي ذات الأسلاك النانوية فائقة التوصيل (SNSPDs) ، والتي تعمل على درجات حرارة شديدة البرودة. ترتفع درجة حرارة منطقة صغيرة من الأسلاك النانوية عندما تمتص فوتونًا ، وتتحول مؤقتًا من مادة فائقة التوصيل إلى مادة عادية. يؤدي هذا إلى زيادة المقاومة الكهربائية للأسلاك النانوية التي يتم الكشف عنها. بعد امتصاص الفوتون ، يجب أن تبرد الأسلاك النانوية قبل أن تتمكن من اكتشاف الفوتون التالي - ويضع وقت الاسترداد هذا حدًا لمدى سرعة عمل SNSPD.

بسيطة لكنها متطورة

قام فريق Zbinden في دراسته بتنفيذ حل بسيط ولكنه فعال لهذه المشكلة. "التصميم الجديد لـ SNSPDs يتكون من 14 سلكًا نانويًا ، متشابكة بطريقة تجعلها جميعًا مضاءة بشكل متساوٍ بالضوء الخارج من الألياف الضوئية ،" يشرح ذلك فادري جرونينفيلدرزميل Zbinden في جامعة جنيف. "هذا يزيد من فرصة وجود سلك لا يزال بإمكانه اكتشافه بينما يتعافى البعض الآخر."

ميزة أخرى للكاشف هي أن كل سلك نانوي أقصر من الأسلاك النانوية المستخدمة عادة في SNSPDs - مما يعني أن الأسلاك النانوية الفردية يمكن أن تبرد بشكل أسرع.

يمكن أن تدعم SNSPDs الحالية معدلات رئيسية تزيد قليلاً عن 10 ميغابت في الثانية ، لكن الفريق السويسري كان أداؤه أفضل بكثير. يقول Grünenfelder: "ساعد معدل العد الأقصى المرتفع لـ SNSPD ، بالإضافة إلى دقة التوقيت المتزايدة ، على تحقيق معدل مفتاح سري يبلغ 64 ميجابت في الثانية على مدى 10 كم من الألياف الضوئية". "يمكننا التغلب على الرقم القياسي السابق بأكثر من أربعة أضعاف."

تضخيم الخصوصية

من خلال اكتشاف الفوتونات بهذا المعدل ، يمكن لنظام QKD إجراء أي تصحيحات ضرورية للأخطاء ، وتنفيذ تضخيم الخصوصية (عملية تحول فوتونات المفتاح الخام إلى مفتاح آمن نهائي ، بغض النظر عن أي معلومات قد تكون قد تسربت إلى المتصنت) - كلاهما في الوقت الحقيقي.

تنقل المحطة النحيفة مفاتيح الكم من الفضاء

في الوقت الحالي ، تعني درجات الحرارة المبردة المطلوبة لـ SNSPDs أن التكنولوجيا ليست مناسبة تمامًا للتطبيقات اليومية في QKD. يوضح Zbinden: "يمكن تنفيذ التحسينات الأخرى التي تم تنفيذها لدفع معدلات المفاتيح إلى الحد الأقصى في QKD التجاري الأكثر شيوعًا".

ومع ذلك ، لا يزال الباحثون يتصورون مجموعة واسعة من الاحتمالات الخاصة بهم بسرعة فائقة وعالية الكفاءة SNSPDs: من الاتصال الآمن بين المركبات الفضائية البعيدة ، إلى الأجيال الجديدة من أجهزة الاستشعار البصرية المتقدمة - والتي يمكن أن تكون مفيدة بشكل خاص في التصوير الطبي.

تم وصف البحث في طبيعة الضوئيات.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• سك المستقبل مع أدرين أشلي. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/new-photon-detector-accelerates-quantum-key-distribution/