New Photon Detector Accelerates Quantum Key Distribution

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Nanožični fotonski detektor — Kul koncept: novi enofotonski detektor uporablja več superprevodnih nanožic. (Z dovoljenjem: M Perrenoud in G Resta/UNIGE)

Detektor z enim fotonom, ki bi lahko povečal učinkovitost nekaterih kriptografskih sistemov s kvantno distribucijo ključev (QKD), je predstavil Hugo Zbinden in sodelavci z Univerze v Ženevi in ID Kvantika v Švici. Naprava vsebuje 14 prepletenih superprevodnih nanožic, ki si delijo nalogo detekcije fotonov.

Kvantni računalniki prihodnosti bi lahko razbili običajne kriptografske sisteme. Vendar bi morali sistemi kvantne kriptografije ostati varni pred hekerji – vsaj načeloma. Eden takih sistemov je kvantna distribucija ključev (QKD), ki uporablja zakone kvantne mehanike, da zagotovi, da lahko dve komunicirajoči strani varno izmenjujeta kriptografske ključe.

QKD vključuje pošiljanje in sprejemanje nizov fotonov v določenih polarizacijskih stanjih. Če prisluškovalec prestreže to komunikacijo, zmoti kvantno naravo informacije in s tem opozori dopisovalce.

Omejeni takti

Medtem ko se komercialni sistemi QKD že uporabljajo v nekaterih specializiranih aplikacijah, je bolj razširjena uporaba tehnologije omejena z "urno frekvenco", pri kateri je mogoče ustvariti, prenesti in zaznati fotone. "Takti teh sistemov so se v zadnjih 30 letih nenehno povečevali," pravi Zbinden. "Toda v sodobnih sistemih hitrost detektorjev in naknadna obdelava postaneta omejevalni dejavnik za visoke tajne ključne stopnje v QKD."

Te ključne stopnje nadzorujejo hitrost, s katero lahko komunicirajoče strani izmenjajo varen kvantni ključ. Višje ključne stopnje omogočajo uporabnikom izmenjavo več informacij – bolj varno in pri višjih hitrostih.

Današnji sistemi QKD uporabljajo superprevodne nanožične enofotonske detektorje (SNSPD), ki delujejo na kriogenih temperaturah. Majhno območje nanožice se segreje, ko absorbira foton, in začasno preklopi iz superprevodnika v običajen material. To povzroči povečanje električnega upora nanožice, ki se zazna. Ko se foton absorbira, se mora nanožica ohladiti, preden lahko zazna naslednji foton – in ta čas obnovitve omejuje, kako hitro lahko deluje SNSPD.

Enostavno, a prefinjeno

V svoji študiji je Zbindenova ekipa implementirala preprosto, a učinkovito rešitev te težave. "Nova zasnova SNSPD je sestavljena iz 14 nanožic, ki so prepletene tako, da so vse enako osvetljene s svetlobo, ki izstopa iz optičnega vlakna," pojasnjuje. Fadri Grünenfelder, Zbindenov kolega na Univerzi v Ženevi. "To povečuje možnost, da obstaja žica, ki še vedno lahko zazna, medtem ko si nekateri drugi opomorejo."

Druga značilnost detektorja je, da je vsaka nanožica krajša od nanožic, ki se običajno uporabljajo v SNSPD – kar pomeni, da se lahko posamezne nanožice hitreje ohladijo.

Obstoječi SNSPD lahko podpirajo ključne hitrosti nekaj več kot 10 Mbps, vendar je švicarska ekipa naredila veliko bolje. »Visoka največja hitrost štetja SNSPD, kot tudi povečana časovna ločljivost, sta pomagala doseči skrivno ključno hitrost 64 Mbps na 10 km optičnih vlaken,« pravi Grünenfelder. "Prejšnji rekord bi lahko premagali za več kot štirikrat."

Povečanje zasebnosti

Z zaznavanjem fotonov pri tej hitrosti bi lahko sistem QKD izvedel vse potrebne popravke napak in izvedel ojačanje zasebnosti (postopek, ki pretvori neobdelane ključne fotone v končni varni ključ, neodvisen od kakršnih koli informacij, ki bi lahko pricurljale do prisluškovalca) – oboje v realnem času.

Fotografija zemeljske postaje, uporabljene v poskusu

Zmanjšani terminal prenaša kvantne ključe iz vesolja

Za zdaj kriogene temperature, potrebne za SNSPD, pomenijo, da tehnologija ni primerna za vsakodnevne aplikacije v QKD. »Druge optimizacije, ki se izvajajo za doseganje meja ključnih obrestnih mer, je mogoče implementirati v bolj običajnem, komercialnem QKD,« pojasnjuje Zbinden.

Vendar pa raziskovalci še vedno predvidevajo široko paleto možnosti za njihove ultra hitre, zelo učinkovite SNSPD: od varne komunikacije med oddaljenimi vesoljskimi plovili do novih generacij naprednih optičnih senzorjev – ki bi lahko bili še posebej uporabni pri medicinskem slikanju.

Raziskava je opisana v Narava fotonika.