Беспрецедентная скорость передачи данных

Оптика, 29 мая 2023 г.

Исследователи разработали систему квантового распределения ключей (QKD) на основе кремниевой фотоники, которая может передавать защищенные ключи с беспрецедентной скоростью. Передатчик QKD (на фото) сочетает в себе фотонную и электрическую интегральную схему с внешним диодным лазером. Фото: Ребекка Сакс, Женевский университет.

Ученые создали систему квантового распределения ключей (QKD), основанную на интегрированной фотонике, позволяющую передавать безопасные ключи с беспрецедентной скоростью. Эти первоначальные эксперименты по проверке концепции служат значительным шагом на пути к практическому развертыванию этой высокозащищенной технологии связи.

QKD, проверенный метод создания конфиденциальных ключей для защищенной связи между удаленными объектами, использует квантовые атрибуты света для создания безопасных случайных ключей. Эти ключи используются для шифрования и дешифрования данных. В отличие от современных протоколов связи, безопасность которых зависит от вычислительной сложности, безопасность QKD основана на принципах физики.

«Основная цель технологии QKD — это возможность просто интегрировать ее в реальную коммуникационную сеть», — сказала член исследовательской группы Ребекка Сакс из Женевского университета в Швейцарии. «Важным и необходимым шагом на пути к этой цели является использование интегрированной фотоники, которая позволяет производить оптические системы с использованием той же полупроводниковой технологии, которая используется для изготовления кремниевых компьютерных чипов».

Показанный приемник QKD на основе кремнезема состоит из фотонной интегральной схемы и двух внешних однофотонных детекторов. Фото: Симоне Ацени, CNR-IFN.

В журнале Photonics Research издательства Optica Publishing Group исследователи под руководством Хьюго Збиндена из Женевского университета описывают свою новую систему QKD, в которой все компоненты интегрированы в чипы, за исключением лазера и детекторов. Это имеет множество преимуществ, таких как компактность, низкая стоимость и простота массового производства.

«Хотя QKD может обеспечить безопасность конфиденциальных приложений, таких как банковское дело, здравоохранение и оборона, это еще не широко распространенная технология», — сказал Сакс. «Эта работа подтверждает зрелость технологии и помогает решить технические вопросы, связанные с ее реализацией с помощью оптических интегральных схем, что позволит интегрировать их в сети и другие приложения».

В предыдущей работе исследователи разработали протокол QKD с тремя состояниями по времени, который был реализован с использованием стандартных оптоволоконных компонентов для достижения передачи QKD на рекордно высоких скоростях.

«Нашей целью в этой новой работе было реализовать тот же протокол с использованием интегрированной фотоники», — сказал Сакс. «Компактность, надежность и простота манипулирования интегрированной фотонной системой — с меньшим количеством компонентов, которые необходимо проверять при внедрении или устранении неполадок в сети — улучшает позиции QKD как технологии безопасной связи».

Системы QKD используют передатчик для отправки закодированных фотонов и приемник для их обнаружения. В новой работе исследователи из Женевского университета сотрудничали с компанией по производству кремниевой фотоники Sicoya GmbH в Берлине, Германия, и компанией по квантовой кибербезопасности ID Quantique в Женеве, чтобы разработать кремниевый передатчик фотоники, который сочетает в себе фотонную интегральную схему с внешним диодным лазером.

The QKD receiver was made of silica and consisted of a photonic integrated circuit and two external single-photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> детекторы фотонов. Группа Роберто Оселламе из Института фотоники и нанотехнологий CNR в Милане, Италия, использовала фемтосекундную лазерную микрообработку для изготовления приемника.