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2023 年 5 月 25 日

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研究者らは、前例のない速度で安全な鍵を送信できる統合フォトニクスに基づく量子鍵配布 (QKD) システムを開発しました。 原理実証実験は、この安全性の高い通信方式の現実世界への応用に向けた重要なステップとなります。

QKD は、遠隔地間の安全な通信のために秘密鍵を提供する確立された方法です。 光の量子特性を利用してデータの暗号化と復号化のための安全なランダムキーを生成することにより、そのセキュリティは今日の通信プロトコルのような計算の複雑さではなく、物理法則に基づいています。

スイスのジュネーブ大学の研究チームメンバー、レベッカ・サックス氏は、「QKD技術の重要な目標は、それを現実世界の通信ネットワークに簡単に統合できるようにすることだ」と述べた。 「この目標に向けて重要かつ必要なステップは、集積フォトニクスの利用です。これにより、シリコンコンピュータチップの製造に使用されるのと同じ半導体技術を使用して光学システムを製造できるようになります。」

Photonics Research の記事で、ジュネーブ大学の Hugo Zbinden 率いる研究者らは、レーザーと検出器を除くすべてのコンポーネントがチップ上に統合された新しい QKD システムについて説明しています。 コンパクト、低コスト、量産が容易など多くのメリットがあります。

「QKDは銀行業務、医療、防衛など機密性の高いアプリケーションにセキュリティを提供できるが、まだ普及した技術ではない」とサックス氏は述べた。 「この研究は技術の成熟度を正当化し、光集積回路を介した実装に関する技術的な問題に対処するのに役立ちます。これにより、ネットワークや他のアプリケーションへの統合が可能になります。」

以前の研究で、研究者らは記録的な高速での QKD 伝送を達成するために、標準のファイバーベースのコンポーネントを使用して実行される 3 状態タイムビン QKD プロトコルを開発しました。

「この新しい研究における私たちの目標は、統合されたフォトニクスを使用して同じプロトコルを実装することでした」とサックス氏は述べています。 「統合フォトニック システムのコンパクトさ、堅牢性、および操作の容易さにより、実装時に検証するコンポーネントやネットワーク内でのトラブルシューティングが必要なコンポーネントが少なくなり、安全な通信技術としての QKD の地位が向上します。」

QKD システムは、送信機を使用してエンコードされた光子を送信し、受信機を使用してそれらを検出します。 新しい研究では、ジュネーブ大学の研究者らは、ドイツのベルリンにあるシリコンフォトニクス企業Sicoya GmbHおよびジュネーブにある量子サイバーセキュリティ企業ID Quantiqueと協力して、フォトニック集積回路と外部ダイオードレーザーを組み合わせたシリコンフォトニクス送信機を開発した。

QKD 受信機はシリカ製で、光集積回路と 2 つの外部単一光子検出器で構成されていました。 イタリア、ミラノの CNR フォトニクス・ナノテクノロジー研究所の Roberto Osellame 氏のグループは、フェムト秒レーザー微細加工を使用して受信機を製造しました。

「送信機では、光電子集積回路を備えた外部レーザーを使用することで、最大 2.5 GHz の記録速度で光子を正確に生成し、エンコードすることが可能になりました」とサックス氏は述べています。 「受信機では、低損失で偏波に依存しないフォトニック集積回路と外部検出器のセットにより、送信された光子の受動的でシンプルな検出が可能になりました。これら 2 つのコンポーネントを標準のシングルモード ファイバーで接続することで、秘密鍵の高速生成が可能になりました」 。」

統合された送信機と受信機の特性を徹底的に評価した後、研究者らはそれを使用して、シミュレートされたさまざまなファイバー距離を使用し、実際の実装に適した長さ 150 km のシングルモード ファイバーと単一光子アバランシェ フォトダイオードを使用して秘密鍵交換を実行しました。 。

彼らはまた、単一光子超伝導ナノワイヤ検出器を使用した実験を実行し、これにより量子ビット誤り率を 0.8% という低い値に抑えることができました。 この受信機は、統合されたフォトニクスを使用して達成するのが複雑な偏波独立性を備えているだけでなく、約 3 dB という極めて低い損失も実現しました。

「秘密鍵レートの生成と量子ビット誤り率に関して、これらの新しい実験は、ファイバーベースのコンポーネントを使用して実行された以前の実験と同様の結果をもたらしました」とサックス氏は述べています。 「しかし、QKD システムは以前の実験セットアップよりもはるかに単純で実用的であるため、このプロトコルを集積回路で使用する可能性が示されています。」

研究者らは現在、ネットワーク システムに QKD を実装できるように、システム部品をシンプルなラック エンクロージャに収容することに取り組んでいます。

詳しくは： Rebecka Sax 他、高速統合 QKD システム、Photonics Research (2023)。 DOI: 10.1364/PRJ.481475

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