New Photon Detector Accelerates Quantum Key Distribution

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

Νανοσύρμα ανιχνευτής φωτονίων — Cool concept: ο νέος ανιχνευτής ενός φωτονίου χρησιμοποιεί πολλαπλά υπεραγώγιμα νανοσύρματα. (Ευγενική προσφορά: M Perrenoud και G Resta/UNIGE)

Ένας ανιχνευτής ενός φωτονίου που θα μπορούσε να ενισχύσει την απόδοση ορισμένων συστημάτων κρυπτογράφησης διανομής κβαντικού κλειδιού (QKD) παρουσιάστηκε από Ούγκο Ζμπίντεν και συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης και Quantique ταυτότητας στην Ελβετία. Η συσκευή περιέχει 14 πλεγμένα υπεραγώγιμα νανοσύρματα, τα οποία μοιράζονται το έργο της ανίχνευσης φωτονίων.

Οι κβαντικοί υπολογιστές του μέλλοντος θα μπορούσαν να σπάσουν τα συμβατικά συστήματα κρυπτογραφίας. Ωστόσο, τα συστήματα κβαντικής κρυπτογραφίας θα πρέπει να παραμείνουν ασφαλή από χάκερ – τουλάχιστον κατ’ αρχήν. Ένα τέτοιο σύστημα είναι η διανομή κβαντικών κλειδιών (QKD), η οποία χρησιμοποιεί τους νόμους της κβαντικής μηχανικής για να εξασφαλίσει ότι δύο μέρη που επικοινωνούν μπορούν να ανταλλάσσουν κλειδιά κρυπτογραφίας με ασφάλεια.

Το QKD περιλαμβάνει την αποστολή και λήψη χορδών φωτονίων σε συγκεκριμένες καταστάσεις πόλωσης. Εάν ένας υποκλοπής υποκλέψει αυτή την επικοινωνία, διαταράσσει την κβαντική φύση των πληροφοριών ειδοποιώντας έτσι τους ανταποκριτές.

Περιορισμένες τιμές ρολογιού

Ενώ τα εμπορικά συστήματα QKD χρησιμοποιούνται ήδη σε ορισμένες εξειδικευμένες εφαρμογές, η πιο διαδεδομένη χρήση της τεχνολογίας περιορίζεται από τον «ρυθμό ρολογιού» με τον οποίο μπορούν να δημιουργηθούν, να μεταδοθούν και να ανιχνευθούν τα φωτόνια. «Οι ρυθμοί ρολογιού αυτών των συστημάτων αυξάνονται συνεχώς τα τελευταία 30 χρόνια», λέει ο Zbinden. «Αλλά στα σύγχρονα συστήματα, η ταχύτητα των ανιχνευτών και η μετεπεξεργασία γίνονται ο περιοριστικός παράγοντας για υψηλούς ρυθμούς μυστικών κλειδιών στο QKD».

Αυτοί οι βασικοί ρυθμοί ελέγχουν την ταχύτητα με την οποία τα μέρη που επικοινωνούν μπορούν να ανταλλάξουν ένα ασφαλές κβαντικό κλειδί. Οι υψηλότερες βασικές τιμές επιτρέπουν στους χρήστες να ανταλλάσσουν περισσότερες πληροφορίες – τόσο με μεγαλύτερη ασφάλεια όσο και με υψηλότερες ταχύτητες.

Τα σημερινά συστήματα QKD χρησιμοποιούν υπεραγώγιμους ανιχνευτές ενός φωτονίου νανοσύρματος (SNSPDs), οι οποίοι λειτουργούν σε κρυογονικές θερμοκρασίες. Μια μικρή περιοχή του νανοσύρματος θερμαίνεται όταν απορροφά ένα φωτόνιο, μεταβαίνοντας προσωρινά από έναν υπεραγωγό σε ένα κανονικό υλικό. Αυτό προκαλεί αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης του νανοσύρματος, η οποία ανιχνεύεται. Αφού απορροφηθεί το φωτόνιο, το νανοσύρμα πρέπει να κρυώσει πριν μπορέσει να ανιχνεύσει το επόμενο φωτόνιο – και αυτός ο χρόνος ανάκτησης θέτει ένα όριο στο πόσο γρήγορα μπορεί να λειτουργήσει ένα SNSPD.

Απλό αλλά και εκλεπτυσμένο

Στη μελέτη της, η ομάδα του Zbinden εφάρμοσε μια απλή αλλά αποτελεσματική λύση σε αυτό το πρόβλημα. «Ο νέος σχεδιασμός των SNSPD αποτελείται από 14 νανοσύρματα, τα οποία είναι συνυφασμένα με τέτοιο τρόπο ώστε όλα να φωτίζονται εξίσου από το φως που εξέρχεται από την οπτική ίνα», εξηγεί. Fadri Grünenfelder, συνάδελφος του Zbinden στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης. «Αυτό αυξάνει την πιθανότητα να υπάρχει ένα καλώδιο που εξακολουθεί να μπορεί να ανιχνεύσει ενώ κάποια άλλα αναρρώνουν».

Ένα άλλο χαρακτηριστικό του ανιχνευτή είναι ότι κάθε νανοσύρμα είναι μικρότερο από τα νανοσύρματα που χρησιμοποιούνται συνήθως στα SNSPD – πράγμα που σημαίνει ότι τα μεμονωμένα νανοσύρματα μπορούν να κρυώσουν πιο γρήγορα.

Τα υπάρχοντα SNSPD μπορούν να υποστηρίξουν βασικούς ρυθμούς λίγο πάνω από 10 Mbps, αλλά η ελβετική ομάδα τα κατάφερε πολύ καλύτερα. «Ο υψηλός μέγιστος ρυθμός καταμέτρησης του SNSPD, καθώς και η αυξημένη ανάλυση χρονισμού, βοήθησαν στην επίτευξη μυστικού ρυθμού κλειδιού 64 Mbps σε 10 km οπτικής ίνας», λέει ο Grünenfelder. «Θα μπορούσαμε να νικήσουμε το προηγούμενο ρεκόρ με περισσότερο από ένα συντελεστή τεσσάρων».

Ενίσχυση απορρήτου

Ανιχνεύοντας φωτόνια με αυτόν τον ρυθμό, ένα σύστημα QKD θα μπορούσε να κάνει τις απαραίτητες διορθώσεις σφαλμάτων και να πραγματοποιήσει ενίσχυση της ιδιωτικής ζωής (μια διαδικασία που μετατρέπει τα φωτόνια ακατέργαστων κλειδιών σε ένα τελικό κλειδί ασφαλείας, ανεξάρτητα από οποιαδήποτε πληροφορία που θα μπορούσε να έχει διαρρεύσει σε έναν υποκλοπή) - και τα δύο σε πραγματικό χρόνο.

Φωτογραφία ενός επίγειου σταθμού που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα

Το αδυνατισμένο τερματικό μεταδίδει κβαντικά κλειδιά από το διάστημα

Προς το παρόν, οι κρυογονικές θερμοκρασίες που απαιτούνται για τα SNSPD σημαίνουν ότι η τεχνολογία δεν είναι κατάλληλη για καθημερινές εφαρμογές σε QKD. «Άλλες βελτιστοποιήσεις που εφαρμόζονται για την ώθηση των βασικών επιτοκίων στο όριο μπορούν να εφαρμοστούν σε πιο mainstream, εμπορικό QKD», εξηγεί ο Zbinden.

Ωστόσο, οι ερευνητές εξακολουθούν να οραματίζονται ένα ευρύ φάσμα δυνατοτήτων για τα εξαιρετικά γρήγορα, υψηλής απόδοσης SNSPDs: από την ασφαλή επικοινωνία μεταξύ απομακρυσμένων διαστημικών σκαφών έως τις νέες γενιές προηγμένων οπτικών αισθητήρων – που θα μπορούσαν να είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι στην ιατρική απεικόνιση.

Η έρευνα περιγράφεται στο Nature Photonics.