Az új fotondetektor felgyorsítja a kvantumkulcs-eloszlást

Egy foton detektort mutatott be, amely növelheti egyes kvantumkulcs-elosztó (QKD) kriptográfiai rendszerek teljesítményét. Hugo Zbinden és kollégái a Genfi Egyetemen és Mennyiségi azonosító Svájcban. A készülék 14 egymásba fonódó szupravezető nanohuzalt tartalmaz, amelyek megosztják a fotondetektálás feladatát.

A jövő kvantumszámítógépei feltörhetik a hagyományos kriptográfiai rendszereket. A kvantumkriptográfiai rendszereknek azonban – legalábbis elvben – biztonságban kell maradniuk a hackerekkel szemben. Az egyik ilyen rendszer a kvantumkulcs-elosztás (QKD), amely a kvantummechanika törvényeit használja annak biztosítására, hogy két kommunikáló fél biztonságosan kicserélhesse a kriptográfiai kulcsokat.

A QKD fotonsorok küldését és fogadását foglalja magában meghatározott polarizációs állapotokban. Ha egy lehallgató elfogja ezt a kommunikációt, az megzavarja az információ kvantum jellegét, ezáltal riasztja a levelezőket.

Korlátozott órajelek

Míg a kereskedelmi QKD-rendszereket már használják egyes speciális alkalmazásokban, a technológia szélesebb körű alkalmazását korlátozza a fotonok létrehozásának, továbbításának és észlelésének „órafrekvenciája”. „Ezeknek a rendszereknek az órajele folyamatosan nőtt az elmúlt 30 évben” – mondja Zbinden. "A modern rendszerekben azonban a detektorok sebessége és az utófeldolgozás korlátozza a QKD titkos kulcsának magas arányát."

Ezek a kulcsarányok szabályozzák azt a sebességet, amellyel a kommunikáló felek biztonságos kvantumkulcsot cserélhetnek. A magasabb kulcsarányok lehetővé teszik a felhasználók számára, hogy több információt cseréljenek – biztonságosabban és nagyobb sebességgel.

A mai QKD rendszerek szupravezető nanovezetékes egyfoton detektorokat (SNSPD) használnak, amelyek kriogén hőmérsékleten működnek. A nanohuzal egy kis része felmelegszik, amikor elnyeli a fotont, és átmenetileg szupravezetőről normál anyagra vált át. Ez a nanohuzal elektromos ellenállásának növekedését okozza, amelyet észlel. A foton elnyelése után a nanohuzalnak le kell hűlnie, mielőtt képes észlelni a következő fotont – és ez a helyreállítási idő korlátozza az SNSPD működési sebességét.

Egyszerű, mégis kifinomult

Tanulmányában Zbinden csapata egy egyszerű, de hatékony megoldást vezetett be erre a problémára. „Az SNSPD-k újszerű kialakítása 14 nanovezetékből áll, amelyek úgy vannak összefonva, hogy mindegyiket egyformán megvilágítja az optikai szálból kilépő fény” – magyarázza. Fadri Grünenfelder, Zbinden kollégája a Genfi Egyetemen. "Ez növeli annak esélyét, hogy van egy vezeték, amely még mindig képes észlelni, miközben néhány másik helyreáll."

A detektor másik jellemzője, hogy minden nanoszál rövidebb, mint az SNSPD-ben általában használt nanoszálak – ami azt jelenti, hogy az egyes nanoszálak gyorsabban lehűlhetnek.

A meglévő SNSPD-k támogatják a 10 Mbps feletti kulcssebességet, de a svájci csapat sokkal jobban teljesített. „Az SNSPD magas maximális számlálási sebessége, valamint a megnövelt időzítési felbontás hozzájárult a 64 Mbps titkos kulcssebesség eléréséhez 10 km optikai szálon” – mondja Grünenfelder. "Több mint négyszeresére megdönthetjük az előző rekordot."

Adatvédelem erősítése

A fotonok ilyen sebességű észlelésével a QKD-rendszer elvégezheti a szükséges hibajavításokat, és végrehajthatja az adatvédelmi erősítést (olyan folyamat, amely a nyers kulcsfotonokat végső biztonságos kulccsá alakítja, függetlenül minden olyan információtól, amely a lehallgatóhoz szivárgott volna) – mindkettő. valós időben.

A karcsúsított terminál kvantumkulcsokat továbbít az űrből

Jelenleg az SNSPD-ekhez szükséges kriogén hőmérsékletek azt jelentik, hogy a technológia nem alkalmas a QKD mindennapi alkalmazásaira. „Az irányadó kamatlábak határértékre szorítása érdekében végrehajtott egyéb optimalizálások megvalósíthatók a hagyományosabb, kereskedelmi QKD-ben” – magyarázza Zbinden.

A kutatók azonban továbbra is sokféle lehetőséget képzelnek el ultragyors, rendkívül hatékony SNSPD-jeik számára: a távoli űrhajók közötti biztonságos kommunikációtól a fejlett optikai érzékelők új generációiig – amelyek különösen hasznosak lehetnek az orvosi képalkotásban.

A kutatás leírása a Nature fotonika.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• A jövő pénzverése – Adryenn Ashley. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/new-photon-detector-accelerates-quantum-key-distribution/