Ny fotondetektor fremskynder kvantenøgledistribution

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Nanotråd foton detektor — Fedt koncept: Den nye enkeltfoton-detektor gør brug af flere superledende nanotråde. (Med høflighed: M Perrenoud og G Resta/UNIGE)

En enkelt-fotondetektor, der kunne øge ydeevnen af nogle quantum key distribution (QKD) kryptografisystemer, er blevet afsløret af Hugo Zbinden og kolleger ved universitetet i Genève og Kvantisk ID i Schweiz. Enheden indeholder 14 sammenflettede superledende nanotråde, som deler opgaven med fotondetektion.

Fremtidens kvantecomputere kunne knække konventionelle kryptografisystemer. Kvantekrypteringssystemer bør dog forblive sikre mod hackere - i det mindste i princippet. Et sådant system er kvantenøglefordeling (QKD), som bruger kvantemekanikkens love til at sikre, at to kommunikerende parter kan udveksle kryptografinøgler sikkert.

QKD involverer afsendelse og modtagelse af strenge af fotoner i specifikke polarisationstilstande. Hvis en aflytning opsnapper denne kommunikation, forstyrrer det informationens kvantekarakter og advarer derved korrespondenterne.

Begrænsede klokkeslæt

Mens kommercielle QKD-systemer allerede er i brug i nogle specialiserede applikationer, er mere udbredt brug af teknologien begrænset af "clock rate", hvormed fotoner kan skabes, transmitteres og detekteres. "Klokfrekvenserne for disse systemer er steget kontinuerligt i løbet af de sidste 30 år," siger Zbinden. "Men i moderne systemer bliver hastigheden af detektorerne og efterbehandlingen den begrænsende faktor for høje hemmelige nøglerater i QKD."

Disse nøglesatser styrer den hastighed, hvormed kommunikerende parter kan udveksle en sikker kvantenøgle. Højere nøglesatser gør det muligt for brugerne at udveksle mere information – både mere sikkert og ved højere hastigheder.

Dagens QKD-systemer bruger superledende nanowire single-photon detektorer (SNPD'er), som driver en kryogen temperatur. Et lille område af nanotråden opvarmes, når den absorberer en foton, og skifter midlertidigt fra en superleder til et normalt materiale. Dette medfører en stigning i nanotrådens elektriske modstand, som detekteres. Efter at fotonen er absorberet, skal nanotråden køle af, før den kan detektere den næste foton - og denne genopretningstid sætter en grænse for, hvor hurtigt en SNSPD kan fungere.

Enkel og alligevel sofistikeret

I sin undersøgelse implementerede Zbindens team en enkel, men effektiv løsning på dette problem. "Det nye design af SNSPD'er består af 14 nanotråde, som er flettet sammen på en sådan måde, at de alle er lige oplyst af lyset, der forlader den optiske fiber," forklarer Fadri Grünenfelder, Zbindens kollega ved universitetet i Genève. "Dette øger chancen for, at der er en ledning, der stadig kan registrere, mens nogle andre er ved at komme sig."

En anden egenskab ved detektoren er, at hver nanotråd er kortere end nanotråde, der normalt bruges i SNSPD'er - hvilket betyder, at de enkelte nanotråde kan køle ned hurtigere.

Eksisterende SNSPD'er kan understøtte nøglehastigheder på lidt over 10 Mbps, men det schweiziske team har gjort det meget bedre. "Den høje maksimale tællehastighed for SNSPD samt den øgede timing-opløsning hjalp med at opnå en hemmelig nøglehastighed på 64 Mbps over 10 km optisk fiber," siger Grünenfelder. "Vi kunne slå den tidligere rekord med mere end en faktor fire."

Privatlivsforstærkning

Ved at detektere fotoner med denne hastighed kunne et QKD-system foretage alle nødvendige fejlrettelser og udføre privatlivsforstærkning (en proces, der transformerer rå nøglefotoner til en endelig sikker nøgle, uafhængig af enhver information, der kunne være lækket til en aflytning) – både i realtid.

Foto af en jordstation brugt i eksperimentet

Slanket terminal transmitterer kvantenøgler fra rummet

Indtil videre betyder de kryogene temperaturer, der kræves til SNSPD'er, at teknologien ikke er velegnet til hverdagsapplikationer i QKD. "Andre optimeringer, der er implementeret for at presse nøglerenterne til det yderste, kan implementeres i mere mainstream, kommerciel QKD," forklarer Zbinden.

Forskerne forestiller sig dog stadig en bred vifte af muligheder for deres ultrahurtige, meget effektive SNSPD'er: fra sikker kommunikation mellem fjerne rumfartøjer til nye generationer af avancerede optiske sensorer - som kunne være særligt nyttige i medicinsk billeddannelse.

Forskningen er beskrevet i Nature Photonics.