גלאי פוטון חדש מאיץ חלוקת מפתח קוונטי

גלאי פוטון בודד שעשוי להגביר את הביצועים של כמה מערכות הצפנה להפצת מפתח קוונטי (QKD) נחשף על ידי הוגו זבינדן ועמיתים באוניברסיטת ז'נבה ו מזהה כמות בשוויץ. המכשיר מכיל 14 ננו-חוטי-על שלובים זה בזה, החולקים את משימת זיהוי הפוטונים.

מחשבי קוונטיים של העתיד יכולים לפצח מערכות הצפנה קונבנציונליות. עם זאת, מערכות הצפנה קוונטית צריכות להישאר מאובטחות מפני האקרים - לפחות באופן עקרוני. מערכת אחת כזו היא הפצת מפתחות קוונטיים (QKD), המשתמשת בחוקי מכניקת הקוונטים כדי להבטיח ששני צדדים מתקשרים יכולים להחליף מפתחות הצפנה בצורה מאובטחת.

QKD כולל שליחה וקבלה של מחרוזות של פוטונים במצבי קיטוב ספציפיים. אם מצותת מיירט את התקשורת הזו, זה משבש את האופי הקוונטי של המידע ובכך מזהיר את הכתבים.

תעריפי שעון מוגבלים

בעוד שמערכות QKD מסחריות כבר נמצאות בשימוש בכמה יישומים מיוחדים, השימוש הנרחב יותר בטכנולוגיה מוגבל על ידי "קצב השעון" שבו ניתן ליצור, לשדר ולזהות פוטונים. "קצבי השעון של המערכות הללו גדלו ברציפות במהלך 30 השנים האחרונות", אומר זבינדן. "אבל במערכות מודרניות, מהירות הגלאים והעיבוד שלאחר הופכים לגורם המגביל לשיעורי מפתח סודיים גבוהים ב-QKD."

שיעורי מפתח אלו שולטים במהירות שבה יכולים הצדדים המתקשרים להחליף מפתח קוונטי מאובטח. שיעורי מפתח גבוהים יותר מאפשרים למשתמשים להחליף מידע נוסף - גם בצורה מאובטחת יותר וגם במהירויות גבוהות יותר.

מערכות ה-QKD של היום משתמשות בגלאי ננו-חוטי-פוטון יחיד (SNPDs) מוליכים-על, הפועלים בטמפרטורות קריוגניות. אזור קטן של הננו-תיל מתחמם כאשר הוא סופג פוטון, ועובר זמנית ממוליך-על לחומר רגיל. זה גורם לעלייה בהתנגדות החשמלית של הננו-תיל, שמתגלה. לאחר ספיגת הפוטון, הננו-תיל חייב להתקרר לפני שהוא יכול לזהות את הפוטון הבא - וזמן ההתאוששות הזה שם גבול למהירות שבה SNSPD יכול לפעול.

פשוט אך מתוחכם

במחקר שלו, הצוות של Zbinden יישם תיקון פשוט אך יעיל לבעיה זו. "העיצוב החדש של SNSPDs מורכב מ-14 ננו-חוטים, השזורים זה בזה באופן שכולם מוארים באותה מידה על ידי האור היוצא מהסיב האופטי", מסביר פאדרי גריננפלדר, עמיתו של זבינדן באוניברסיטת ז'נבה. "זה מגדיל את הסיכוי שיש חוט שעדיין יכול לזהות בזמן שאחרים מתאוששים."

תכונה נוספת של הגלאי היא שכל ננו-חוטים קצרים יותר מננו-חוטים המשמשים בדרך כלל ב-SNSPDs - מה שאומר שהננו-חוטים הבודדים יכולים להתקרר מהר יותר.

SNSPDs קיימים יכולים לתמוך בקצבי מפתח של קצת יותר מ-10 Mbps, אבל הצוות השוויצרי הצליח הרבה יותר. "קצב הספירה המקסימלי הגבוה של SNSPD, כמו גם רזולוציית התזמון המוגברת, עזרו להשיג קצב מפתח סודי של 64 Mbps על פני 10 ק"מ של סיבים אופטיים", אומר גריונפלדר. "יכולנו לנצח את השיא הקודם ביותר מפקטור ארבע".

הגברת פרטיות

על ידי זיהוי פוטונים בקצב זה, מערכת QKD יכולה לבצע את כל תיקוני השגיאה הדרושים, ולבצע הגברת פרטיות (תהליך שהופך פוטוני מפתח גולמיים למפתח מאובטח סופי, ללא תלות בכל מידע שעלול היה לדלוף לצותת) - שניהם בזמן אמת.

מסוף מצומצם משדר מפתחות קוונטיים מהחלל

לעת עתה, הטמפרטורות הקריוגניות הנדרשות עבור SNSPDs אומרות שהטכנולוגיה אינה מתאימה היטב ליישומים יומיומיים ב-QKD. "אופטימיזציות אחרות המיושמות לדחיפת שיעורי מפתח עד קצה גבול היכולת יכולות להיות מיושמות ב-QKD יותר מיינסטרים ומסחרי", מסביר זבינדן.

עם זאת, החוקרים עדיין רואים מגוון רחב של אפשרויות עבור SNSPDs מהיר במיוחד ויעיל במיוחד: מתקשורת מאובטחת בין חלליות רחוקות ועד דורות חדשים של חיישנים אופטיים מתקדמים - שיכולים להיות שימושיים במיוחד בהדמיה רפואית.

המחקר מתואר ב Nature Photonics.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• הטבעת העתיד עם אדריאן אשלי. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/new-photon-detector-accelerates-quantum-key-distribution/