เครื่องตรวจจับโฟตอนใหม่ช่วยเร่งการกระจายคีย์ควอนตัม

เครื่องตรวจจับโฟตอนเดียวที่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของระบบเข้ารหัสการกระจายคีย์ควอนตัม (QKD) ได้รับการเปิดเผยโดย ฮูโก ซบินเดน และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยเจนีวาและ ไอดี Quantique ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์. อุปกรณ์ดังกล่าวประกอบด้วยสายนาโนตัวนำยิ่งยวดที่พันกัน 14 เส้น ซึ่งทำหน้าที่ตรวจจับโฟตอนร่วมกัน

คอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคตสามารถถอดรหัสระบบการเข้ารหัสแบบเดิมได้ อย่างไรก็ตาม ระบบการเข้ารหัสแบบควอนตัมควรยังคงปลอดภัยจากแฮกเกอร์ – อย่างน้อยในหลักการ หนึ่งในระบบดังกล่าวคือการกระจายคีย์ควอนตัม (QKD) ซึ่งใช้กฎของกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อให้แน่ใจว่าทั้งสองฝ่ายที่สื่อสารกันสามารถแลกเปลี่ยนคีย์การเข้ารหัสได้อย่างปลอดภัย

QKD เกี่ยวข้องกับการส่งและรับสตริงของโฟตอนในสถานะโพลาไรซ์เฉพาะ หากเครื่องดักฟังดักฟังการสื่อสารนี้ มันจะรบกวนลักษณะควอนตัมของข้อมูล ดังนั้นการแจ้งเตือนผู้ติดต่อ

อัตรานาฬิกา จำกัด

ในขณะที่ระบบ QKD เชิงพาณิชย์มีการใช้งานอยู่แล้วในแอปพลิเคชันเฉพาะบางอย่าง การใช้เทคโนโลยีอย่างแพร่หลายมากขึ้นถูกจำกัดโดย "อัตราสัญญาณนาฬิกา" ซึ่งโฟตอนที่สามารถสร้าง ส่ง และตรวจจับได้ “อัตราสัญญาณนาฬิกาของระบบเหล่านี้เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในช่วง 30 ปีที่ผ่านมา” Zbinden กล่าว “แต่ในระบบสมัยใหม่ ความเร็วของเครื่องตรวจจับและการประมวลผลภายหลังกลายเป็นปัจจัยจำกัดสำหรับอัตราคีย์ลับสูงใน QKD”

อัตราคีย์เหล่านี้ควบคุมความเร็วที่ฝ่ายสื่อสารสามารถแลกเปลี่ยนคีย์ควอนตัมที่ปลอดภัยได้ อัตราคีย์ที่สูงขึ้นทำให้ผู้ใช้สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลได้มากขึ้น ทั้งปลอดภัยและความเร็วสูงขึ้น

ระบบ QKD ในปัจจุบันใช้เครื่องตรวจจับโฟตอนเส้นเดียวสายนาโนที่มีตัวนำยิ่งยวด (SNSPD) ซึ่งทำงานที่อุณหภูมิเย็นจัด บริเวณเล็กๆ ของเส้นลวดนาโนจะร้อนขึ้นเมื่อดูดซับโฟตอน ทำให้เปลี่ยนจากตัวนำยิ่งยวดเป็นวัสดุธรรมดาชั่วคราว สิ่งนี้ทำให้ความต้านทานไฟฟ้าของเส้นลวดนาโนเพิ่มขึ้น ซึ่งตรวจพบได้ หลังจากที่โฟตอนถูกดูดกลืนแล้ว เส้นลวดนาโนจะต้องเย็นลงก่อนที่จะสามารถตรวจจับโฟตอนถัดไปได้ และเวลาในการฟื้นตัวนี้จะจำกัดความเร็วของ SNSPD ที่สามารถทำงานได้

เรียบง่าย แต่ซับซ้อน

ในการศึกษานี้ ทีมของ Zbinden ได้ทำการแก้ไขปัญหานี้อย่างเรียบง่ายแต่ได้ผล “การออกแบบใหม่ของ SNSPDs ประกอบด้วยเส้นลวดนาโน 14 เส้น ซึ่งพันกันในลักษณะที่พวกมันทั้งหมดได้รับแสงสว่างเท่ากันจากแสงที่ออกจากใยแก้วนำแสง” อธิบาย ฟาดรี กรุนเนนเฟลเดอร์เพื่อนร่วมงานของ Zbinden ที่มหาวิทยาลัยเจนีวา “นี่เป็นการเพิ่มโอกาสที่สายสัญญาณที่ยังคงสามารถตรวจจับได้ในขณะที่บางเส้นกำลังฟื้นตัว”

คุณลักษณะอีกอย่างของเครื่องตรวจจับคือเส้นลวดนาโนแต่ละเส้นสั้นกว่าเส้นลวดนาโนที่มักใช้ใน SNSPD ซึ่งหมายความว่าเส้นลวดนาโนแต่ละเส้นจะเย็นลงได้เร็วกว่า

SNSPD ที่มีอยู่สามารถรองรับอัตราคีย์ได้มากกว่า 10 Mbps แต่ทีมสวิสทำได้ดีกว่ามาก Grünenfelder กล่าวว่า "อัตราการนับสูงสุดที่สูงของ SNSPD รวมถึงความละเอียดของเวลาที่เพิ่มขึ้น ช่วยให้บรรลุอัตราคีย์ลับที่ 64 Mbps ในระยะทาง 10 กม. ของใยแก้วนำแสง" Grünenfelder กล่าว “เราสามารถเอาชนะสถิติก่อนหน้านี้ได้มากกว่าสี่ปัจจัย”

การขยายความเป็นส่วนตัว

ด้วยการตรวจจับโฟตอนในอัตรานี้ ระบบ QKD สามารถแก้ไขข้อผิดพลาดที่จำเป็น และดำเนินการขยายความเป็นส่วนตัว (กระบวนการที่แปลงโฟตอนของคีย์ดิบเป็นคีย์สุดท้ายที่ปลอดภัย โดยไม่ขึ้นกับข้อมูลใดๆ ที่อาจรั่วไหลไปยังผู้ดักฟัง) - ทั้งสองอย่าง ในเวลาจริง

ขั้วต่อแบบบางลงส่งคีย์ควอนตัมจากอวกาศ

สำหรับตอนนี้ อุณหภูมิการแช่แข็งที่จำเป็นสำหรับ SNSPD หมายความว่าเทคโนโลยีนี้ไม่เหมาะกับการใช้งานประจำวันใน QKD “การปรับให้เหมาะสมอื่น ๆ ที่ใช้สำหรับการผลักดันอัตราหลักให้ถึงขีดจำกัดสามารถนำไปใช้ใน QKD เชิงพาณิชย์ที่เป็นกระแสหลักมากขึ้น” Zbinden อธิบาย

อย่างไรก็ตาม นักวิจัยยังคงมองเห็นความเป็นไปได้ที่หลากหลายสำหรับ SNSPD ที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพสูง ตั้งแต่การสื่อสารที่ปลอดภัยระหว่างยานอวกาศที่อยู่ห่างไกล ไปจนถึงเซ็นเซอร์ออปติคัลขั้นสูงรุ่นใหม่ ซึ่งอาจเป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการถ่ายภาพทางการแพทย์

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน Photonics ธรรมชาติ.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• การสร้างอนาคตโดย Adryenn Ashley เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/new-photon-detector-accelerates-quantum-key-distribution/