नया फोटॉन डिटेक्टर क्वांटम कुंजी वितरण को गति देता है

एक एकल-फोटॉन डिटेक्टर जो कुछ क्वांटम कुंजी वितरण (क्यूकेडी) क्रिप्टोग्राफी प्रणालियों के प्रदर्शन को बढ़ावा दे सकता है, का अनावरण किया गया है ह्यूगो ज़बिंडेन और जिनेवा विश्वविद्यालय में सहकर्मी और क्वांटिक आईडी स्विट्जरलैंड में। डिवाइस में 14 आपस में जुड़े हुए सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर हैं, जो फोटॉन का पता लगाने का कार्य साझा करते हैं।

भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर पारंपरिक क्रिप्टोग्राफी प्रणालियों को तोड़ सकते हैं। हालाँकि, क्वांटम क्रिप्टोग्राफी सिस्टम को हैकर्स से सुरक्षित रहना चाहिए - कम से कम सिद्धांत रूप में। ऐसी ही एक प्रणाली क्वांटम कुंजी वितरण (क्यूकेडी) है, जो यह सुनिश्चित करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का उपयोग करती है कि दो संचार पक्ष सुरक्षित रूप से क्रिप्टोग्राफी कुंजी का आदान-प्रदान कर सकते हैं।

QKD में विशिष्ट ध्रुवीकरण राज्यों में फोटॉन के तार भेजना और प्राप्त करना शामिल है। यदि कोई छिपकर बात सुनने वाला इस संचार को सुन लेता है, तो यह सूचना की मात्रात्मक प्रकृति को बाधित कर देता है, जिससे संवाददाता सतर्क हो जाते हैं।

सीमित घड़ी दरें

जबकि वाणिज्यिक QKD सिस्टम पहले से ही कुछ विशेष अनुप्रयोगों में उपयोग किए जा रहे हैं, प्रौद्योगिकी का अधिक व्यापक उपयोग "क्लॉक रेट" द्वारा सीमित है जिस पर फोटॉन बनाए, प्रसारित और पता लगाए जा सकते हैं। ज़बिंडेन कहते हैं, "पिछले 30 वर्षों में इन प्रणालियों की घड़ी की दर में लगातार वृद्धि हुई है।" "लेकिन आधुनिक प्रणालियों में, डिटेक्टरों की गति और पोस्ट-प्रोसेसिंग QKD में उच्च गुप्त कुंजी दरों के लिए सीमित कारक बन जाती है।"

ये प्रमुख दरें उस गति को नियंत्रित करती हैं जिस पर संचार करने वाले पक्ष एक सुरक्षित क्वांटम कुंजी का आदान-प्रदान कर सकते हैं। उच्च कुंजी दरें उपयोगकर्ताओं को अधिक जानकारी का आदान-प्रदान करने में सक्षम बनाती हैं - अधिक सुरक्षित रूप से और उच्च गति पर।

आज के QKD सिस्टम सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर (SNSPDs) का उपयोग करते हैं, जो क्रायोजेनिक तापमान संचालित करते हैं। जब नैनोवायर एक फोटॉन को अवशोषित करता है तो उसका एक छोटा सा क्षेत्र गर्म हो जाता है, और अस्थायी रूप से सुपरकंडक्टर से सामान्य सामग्री में बदल जाता है। इससे नैनोवायर के विद्युत प्रतिरोध में वृद्धि होती है, जिसका पता लगाया जाता है। फोटॉन को अवशोषित करने के बाद, अगले फोटॉन का पता लगाने से पहले नैनोवायर को ठंडा होना चाहिए - और यह पुनर्प्राप्ति समय एक सीमा लगाता है कि एसएनएसपीडी कितनी तेजी से काम कर सकता है।

सरल फिर भी परिष्कृत

अपने अध्ययन में, ज़बिंडेन की टीम ने इस समस्या का एक सरल लेकिन प्रभावी समाधान लागू किया। "एसएनएसपीडी के नए डिजाइन में 14 नैनोवायर होते हैं, जो इस तरह से आपस में जुड़े होते हैं कि ऑप्टिकल फाइबर से निकलने वाली रोशनी से वे सभी समान रूप से रोशन होते हैं," बताते हैं फ़ादरी ग्रुएननफ़ेल्डर, जिनेवा विश्वविद्यालय में ज़बिंडेन के सहयोगी। "इससे संभावना बढ़ जाती है कि एक तार है जो अभी भी पता लगा सकता है जबकि कुछ अन्य ठीक हो रहे हैं।"

डिटेक्टर की एक अन्य विशेषता यह है कि प्रत्येक नैनोवायर आमतौर पर एसएनएसपीडी में उपयोग किए जाने वाले नैनोवायर से छोटा होता है - जिसका अर्थ है कि व्यक्तिगत नैनोवायर तेजी से ठंडा हो सकते हैं।

मौजूदा एसएनएसपीडी केवल 10 एमबीपीएस से अधिक की प्रमुख दरों का समर्थन कर सकते हैं, लेकिन स्विस टीम ने काफी बेहतर प्रदर्शन किया है। ग्रुएनफेल्डर का कहना है, "एसएनएसपीडी की उच्च अधिकतम गणना दर, साथ ही बढ़ी हुई टाइमिंग रिज़ॉल्यूशन ने 64 किमी ऑप्टिकल फाइबर पर 10 एमबीपीएस की गुप्त कुंजी दर हासिल करने में मदद की।" "हम पिछले रिकॉर्ड को चार गुना से अधिक से हरा सकते हैं।"

गोपनीयता प्रवर्धन

इस दर पर फोटॉनों का पता लगाकर, एक QKD प्रणाली कोई भी आवश्यक त्रुटि सुधार कर सकती है, और गोपनीयता प्रवर्धन कर सकती है (एक प्रक्रिया जो कच्चे कुंजी फोटॉनों को अंतिम सुरक्षित कुंजी में बदल देती है, किसी भी जानकारी से स्वतंत्र जो छिपकर बात करने वाले को लीक हो सकती है) - दोनों वास्तविक समय में।

स्लिम-डाउन टर्मिनल अंतरिक्ष से क्वांटम कुंजियों को प्रसारित करता है

अभी के लिए, एसएनएसपीडी के लिए आवश्यक क्रायोजेनिक तापमान का मतलब है कि प्रौद्योगिकी क्यूकेडी में रोजमर्रा के अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त नहीं है। ज़बिंडेन बताते हैं, "प्रमुख दरों को सीमा तक बढ़ाने के लिए लागू किए गए अन्य अनुकूलन को अधिक मुख्यधारा, वाणिज्यिक क्यूकेडी में लागू किया जा सकता है।"

हालाँकि, शोधकर्ता अभी भी अपने अल्ट्रा-फास्ट, अत्यधिक कुशल एसएनएसपीडी के लिए संभावनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला की परिकल्पना करते हैं: दूर के अंतरिक्ष यान के बीच सुरक्षित संचार से लेकर उन्नत ऑप्टिकल सेंसर की नई पीढ़ी तक - जो विशेष रूप से चिकित्सा इमेजिंग में उपयोगी हो सकते हैं।

में अनुसंधान वर्णित है नेचर फोटोनिक्स.

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/new-photon-detector-accelerates-quantum-key-distribution/