前例のない伝送速度

By Optica2023年5月29日

研究者らは、前例のない速度で安全な鍵を送信できるシリコン 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。 QKD 送信機 (写真) は、光電子集積回路と外部ダイオード レーザーを組み合わせたものです。 クレジット: Rebecka Sax、ジュネーブ大学

科学者たちは、統合フォトニクスに基づいた量子鍵配布 (QKD) システムを作成し、前例のない速度で安全な鍵を送信できるようにしました。これらの初期の概念実証実験は、この高度に安全な通信技術の実用的な展開に向けた重要な進歩として機能します。

QKD は、リモート エンティティ間の保護された通信のための機密キーを作成する実証済みの技術であり、光の量子属性を利用して安全なランダム キーを作成します。 これらのキーはデータの暗号化と復号化に使用されます。 セキュリティを計算の複雑さに依存する現在の通信プロトコルとは異なり、QKD のセキュリティは物理原理に基づいています。

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。」

図示されているシリカベースの QKD 受信機は、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す。 クレジット: Simone Atzeni、CNR-IFN

Optica Publishing Group のジャーナル Photonics Research では、ジュネーブ大学の Hugo Zbinden 率いる研究者が、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。 小型、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、防衛といった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は、ネットワーク内での実装時やトラブルシューティングの際に検証するコンポーネントが少なく、安全な通信のためのテクノロジーとしての QKD の地位を向上させます。」

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。

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"}]">光子検出器。 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かつ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、秘密の高速生成が可能になりました」キー。」

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、集積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。

参考文献: 「高速統合 QKD システム」Rebecka Sax、Alberto Boaron、Gianluca Boso、Simone Atzeni、Andrea Crespi、Fadri Grünenfelder、Davide Rusca、Aws Al-Saadi、Danilo Bronzi、Sebastian Kupijai、Hanjo Rhee、Roberto Osellame、Hugo 著ズビンデン、2023 年 5 月 25 日、Photonics Research.DOI:10.1364/PRJ.481475