Uusi fotonidetektori nopeuttaa kvanttiavaimen jakautumista

Yksifotoninen ilmaisin, joka voisi parantaa joidenkin kvanttiavaimen jakelun (QKD) salausjärjestelmien suorituskykyä, on paljastanut Hugo Zbinden ja kollegat Geneven yliopistosta ja Määrällinen tunnus Sveitsissä. Laite sisältää 14 toisiinsa kietottua suprajohtavaa nanolankaa, jotka jakavat fotonien havaitsemisen.

Tulevaisuuden kvanttitietokoneet voivat murtaa perinteiset salausjärjestelmät. Kvanttisalausjärjestelmien tulisi kuitenkin pysyä turvassa hakkereilta – ainakin periaatteessa. Yksi tällainen järjestelmä on kvanttiavainten jakelu (QKD), joka käyttää kvanttimekaniikan lakeja varmistaakseen, että kaksi kommunikoivaa osapuolta voivat vaihtaa salausavaimia turvallisesti.

QKD sisältää fotonijonojen lähettämisen ja vastaanottamisen tietyissä polarisaatiotiloissa. Jos salakuuntelija sieppaa tämän viestinnän, se häiritsee tiedon kvanttiluonnetta ja hälyttää siten kirjeenvaihtajia.

Rajoitettu kellonopeus

Vaikka kaupalliset QKD-järjestelmät ovat jo käytössä joissakin erikoissovelluksissa, tekniikan laajempaa käyttöä rajoittaa "kellotaajuus", jolla fotoneja voidaan luoda, siirtää ja havaita. "Näiden järjestelmien kellotaajuudet ovat kasvaneet jatkuvasti viimeisten 30 vuoden aikana", Zbinden sanoo. "Mutta nykyaikaisissa järjestelmissä ilmaisimien nopeudesta ja jälkikäsittelystä tulee QKD:n korkeita salaavaimia rajoittava tekijä."

Nämä avainnopeudet säätelevät nopeutta, jolla viestivät osapuolet voivat vaihtaa suojatun kvanttiavaimen. Korkeammat avainnopeudet antavat käyttäjille mahdollisuuden vaihtaa enemmän tietoa – sekä turvallisemmin että suuremmalla nopeudella.

Nykypäivän QKD-järjestelmät käyttävät suprajohtavia nanolangallisia yksifotonisia ilmaisimia (SNSPD), jotka käyttävät kryogeenisiä lämpötiloja. Pieni alue nanolangasta lämpenee, kun se absorboi fotonin ja siirtyy väliaikaisesti suprajohteesta normaaliin materiaaliin. Tämä lisää nanolangan sähkövastusta, joka havaitaan. Kun fotoni on absorboitunut, nanolangan täytyy jäähtyä ennen kuin se voi havaita seuraavan fotonin – ja tämä palautumisaika asettaa rajan sille, kuinka nopeasti SNSPD voi toimia.

Yksinkertainen mutta hienostunut

Zbindenin tiimi toteutti tutkimuksessaan yksinkertaisen mutta tehokkaan korjauksen tähän ongelmaan. "SNSPD:n uusi muotoilu koostuu 14 nanolangasta, jotka on kietoutunut toisiinsa siten, että ne kaikki valaisevat yhtä paljon optisesta kuidusta tulevasta valosta", selittää. Fadri Grünenfelder, Zbindenin kollega Geneven yliopistossa. "Tämä lisää todennäköisyyttä, että on olemassa johto, joka voi silti havaita, kun jotkut muut ovat toipumassa."

Toinen ilmaisimen ominaisuus on, että jokainen nanolanka on lyhyempi kuin tavallisesti SNSPD:issä käytetyt nanolangat – mikä tarkoittaa, että yksittäiset nanolangat voivat jäähtyä nopeammin.

Nykyiset SNSPD:t voivat tukea hieman yli 10 Mbps:n avainnopeuksia, mutta Sveitsin tiimi on onnistunut paljon paremmin. "SNSPD:n korkea maksimilaskentanopeus sekä lisääntynyt ajoitusresoluutio auttoivat saavuttamaan 64 Mbps:n salaisen avainnopeuden 10 kilometriä optista kuitua", Grünenfelder sanoo. "Voimme voittaa edellisen ennätyksen yli nelinkertaisesti."

Yksityisyyden vahvistus

Havaitsemalla fotoneja tällä nopeudella QKD-järjestelmä voisi tehdä tarvittavat virheenkorjaukset ja suorittaa yksityisyyden vahvistuksen (prosessi, joka muuntaa raaka-avainfotonit lopulliseksi suojatuksi avaimeksi riippumatta tiedoista, jotka olisivat saaneet vuotaa salakuuntelijalle) – sekä oikeassa ajassa.

Ohennettu päätelaite lähettää kvanttiavaimet avaruudesta

Toistaiseksi SNSPD:n edellyttämät kryogeeniset lämpötilat tarkoittavat, että tekniikka ei sovellu hyvin QKD:n päivittäisiin sovelluksiin. "Muita optimointeja, jotka on toteutettu avainkorkojen ajamiseksi äärirajoille, voidaan toteuttaa valtavirran kaupallisessa QKD:ssä", Zbinden selittää.

Tutkijat kuitenkin näkevät edelleen laajan valikoiman mahdollisuuksia ultranopeille, erittäin tehokkaille SNSPD-laitteilleen: turvallisesta tiedonsiirrosta kaukaisten avaruusalusten välillä uusien kehittyneiden optisten antureiden sukupolviin, jotka voivat olla erityisen hyödyllisiä lääketieteellisessä kuvantamisessa.

Tutkimusta kuvataan Luonto Fotoniikka.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Tulevaisuuden lyöminen Adryenn Ashley. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/new-photon-detector-accelerates-quantum-key-distribution/