Высокопроизводительные детекторы с беспрецедентной производительностью для борьбы со шпионами

Квантовое распределение ключей является наиболее эффективной схемой обеспечения информационной безопасности при наличии крупномасштабных квантовых компьютеров. Однако скорость его секретных ключей по-прежнему ограничена 10 Мбит/с из-за узких мест на стороне получателя. В новом исследовании описывается специализированный многопиксельный сверхпроводящий детектор одиночных фотонов, разработанный для высокой скорости счета и точной временной дискриминации.

Квантовая физика может бороться с кражей данных, кодируя информацию в отдельные частицы света и передавая ее по оптическому волокну. Детекторы одиночных фотонов, в частности, могли бы лучше работать для широкого применения телекоммуникационных технологий. Команда из Женевского университета (UNIGE) и ID Quantique увеличили свою скорость в двадцать раз. Это нововведение, которое предстоит открыть, позволяет достичь беспрецедентной производительности при распределении квантовых ключей.

Квантовая криптография или распределение квантовых ключей позволяет двум сторонам генерировать общие секретные ключи и передавать их по оптическим волокнам с высокой степенью защиты. Это связано с тем, что законы квантовой механики гласят, что измерение влияет на состояние измеряемой системы. Таким образом, если шпион попытается измерить фотоны, чтобы украсть ключ, информация будет мгновенно изменена, а перехват будет обнаружен.

Однако скорость однофотонных детекторов, используемых для получения информации, ограничена 30 наносекундами, что ограничивает скорость передачи секретных ключей до 10 мегабит в секунду.
Ученые в этом исследовании преодолели это ограничение, разработав более эффективный детектор. Это может быть в двадцать раз быстрее, чем машина с одной проволокой.

Вадре Гронненфельдер, бывший докторант кафедры прикладной физики факультета естественных наук UNIGE и первый автор исследования, объясняет: В настоящее время самыми быстрыми детекторами для нашего приложения являются однофотонные детекторы из сверхпроводящих нанопроволок. Эти устройства содержат сверхпроводящий провод, который охлаждается до -272°C. Если в него попадает один фотон, он нагревается. Они перестают быть сверхпроводящими на короткое время и, таким образом, генерируют обнаруживаемый электрический сигнал. Когда проволока снова остынет, можно будет обнаружить еще один фотон».

Они достигли рекордной скорости обнаружения, включив в свой детектор четырнадцать нанопроволок, что может быть в двадцать раз быстрее, чем однопроводное устройство. Используемые нанопроволоки также короче, что помогает сократить время восстановления. Исследователи смогли сгенерировать секретный ключ со скоростью 64 мегабита в секунду на расстоянии 10 километров оптоволоконного кабеля, что в пять раз превышает производительность современных технологий на этом расстоянии.

Хьюго Збинден Он сказалИ «Наши детекторы могут считать в двадцать раз быстрее, чем устройство с одним проводом. Если два фотона попадают в эти новые детекторы за короткое время, они могут коснуться разных проводов, и оба могут быть обнаружены. С одним проводом это невозможно».

Эти открытия открывают возможности для сверхзащищенной передачи данных, что может принести пользу банкам, системам здравоохранения, правительствам и военным. Их также можно использовать в других областях, где важно обнаруживать свет, таких как астрономия и медицинская визуализация.

Этот результат прокладывает путь для конфиденциальных приложений, требующих ключа, таких как безопасное шифрование видео в реальном времени и одноразовая плата в городской местности. Эти открытия открывают новые возможности для квантовой криптографии.

Ссылка на журнал:

1. Грюненфельдер, Боарон и др. Быстрые детекторы одиночных фотонов и дистилляция ключей в реальном времени позволяют создавать системы распределения квантовых ключей с высокой степенью секретности. DOI: 10.1038/с41566-023-01168-2