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Ein auf integrierter Photonik basierendes Quantenschlüsselverteilungssystem legt den Grundstein für die Netzwerkimplementierung

OPTISCH

Bild: Forscher haben ein auf Siliziumphotonik basierendes Quantenschlüsselverteilungssystem (QKD) entwickelt, das sichere Schlüssel mit beispielloser Geschwindigkeit übertragen kann. Der QKD-Sender (im Bild) kombiniert einen photonischen und elektrischen integrierten Schaltkreis mit einem externen Diodenlaser.mehr sehen

Bildnachweis: Rebecka Sax, Universität Genf

WASHINGTON – Forscher haben ein Quantenschlüsselverteilungssystem (QKD) entwickelt, das auf integrierter Photonik basiert und sichere Schlüssel mit beispielloser Geschwindigkeit übertragen kann. Die Proof-of-Principle-Experimente stellen einen wichtigen Schritt zur realen Anwendung dieser hochsicheren Kommunikationsmethode dar.

QKD ist eine bewährte Methode zur Bereitstellung geheimer Schlüssel für die sichere Kommunikation zwischen entfernten Parteien. Durch die Nutzung der Quanteneigenschaften des Lichts zur Generierung sicherer Zufallsschlüssel zum Ver- und Entschlüsseln von Daten basiert seine Sicherheit auf den Gesetzen der Physik und nicht auf rechnerischer Komplexität wie bei heutigen Kommunikationsprotokollen.

„Ein Hauptziel der QKD-Technologie ist die Möglichkeit, sie einfach in ein reales Kommunikationsnetzwerk zu integrieren“, sagte Forschungsteammitglied Rebecka Sax von der Universität Genf in der Schweiz. „Ein wichtiger und notwendiger Schritt in Richtung dieses Ziels ist der Einsatz der integrierten Photonik, die es ermöglicht, optische Systeme mit der gleichen Halbleitertechnologie herzustellen, die auch für die Herstellung von Silizium-Computerchips verwendet wird.“

In der Zeitschrift Photonics Research der Optica Publishing Group beschreiben Forscher um Hugo Zbinden von der Universität Genf ihr neues QKD-System, bei dem alle Komponenten bis auf den Laser und die Detektoren auf Chips integriert sind. Dies bringt viele Vorteile wie Kompaktheit, niedrige Kosten und einfache Massenproduktion mit sich.

„Obwohl QKD Sicherheit für sensible Anwendungen wie Banken, Gesundheit und Verteidigung bieten kann, ist es noch keine weit verbreitete Technologie“, sagte Sax. „Diese Arbeit rechtfertigt den technologischen Reifegrad und trägt dazu bei, die technischen Aspekte bei der Implementierung über optische integrierte Schaltkreise zu bewältigen, die eine Integration in Netzwerke und andere Anwendungen ermöglichen würden.“

Aufbau eines schnelleren Chip-basierten Systems

In früheren Arbeiten entwickelten die Forscher ein QKD-Protokoll mit drei Zuständen und Zeitintervallen, das mit standardmäßigen faserbasierten Komponenten ausgeführt wurde, um eine QKD-Übertragung mit Rekordgeschwindigkeiten zu erreichen.

„Unser Ziel in dieser neuen Arbeit war es, dasselbe Protokoll mithilfe integrierter Photonik zu implementieren“, sagte Sax. „Die Kompaktheit, Robustheit und einfache Handhabung eines integrierten photonischen Systems – mit weniger Komponenten, die bei der Implementierung überprüft oder in einem Netzwerk behoben werden müssen – verbessert die Position von QKD als Technologie für sichere Kommunikation.“

QKD-Systeme verwenden einen Sender zum Senden der kodierten Photonen und einen Empfänger zum Erkennen dieser. In der neuen Arbeit arbeiteten die Forscher der Universität Genf mit dem Silizium-Photonik-Unternehmen Sicoya GmbH in Berlin, Deutschland, und dem Quanten-Cybersicherheitsunternehmen ID Quantique in Genf zusammen, um einen Silizium-Photonik-Sender zu entwickeln, der einen photonischen integrierten Schaltkreis mit einem externen Diodenlaser kombiniert.

Der QKD-Empfänger bestand aus Siliziumdioxid und bestand aus einem photonischen integrierten Schaltkreis und zwei externen Einzelphotonendetektoren. Die Gruppe von Roberto Osellame am CNR-Institut für Photonik und Nanotechnologie in Mailand, Italien, nutzte Femtosekundenlaser-Mikrobearbeitung, um den Empfänger herzustellen.

„Für den Sender ermöglichte die Verwendung eines externen Lasers mit einem photonischen und elektronischen integrierten Schaltkreis die präzise Erzeugung und Kodierung von Photonen mit einer Rekordgeschwindigkeit von bis zu 2,5 GHz“, sagte Sax. „Für den Empfänger ermöglichten ein verlustarmer und polarisationsunabhängiger photonischer integrierter Schaltkreis und eine Reihe externer Detektoren eine passive und einfache Erkennung der übertragenen Photonen. Die Verbindung dieser beiden Komponenten mit einer Standard-Singlemode-Faser ermöglichte die Hochgeschwindigkeitsproduktion geheimer Schlüssel.“ ."

Verlustarme Hochgeschwindigkeitsübertragung

Nachdem sie den integrierten Sender und Empfänger gründlich charakterisiert hatten, führten die Forscher damit einen geheimen Schlüsselaustausch über verschiedene simulierte Faserentfernungen sowie mit einer 150 km langen Singlemode-Faser und Single-Photon-Avalanche-Fotodioden durch, die sich gut für praktische Implementierungen eignen . Sie führten auch Experimente mit supraleitenden Einzelphotonen-Nanodrahtdetektoren durch, die eine Quantenbitfehlerrate von nur 0,8 % ermöglichten. Der Empfänger verfügte nicht nur über eine Polarisationsunabhängigkeit, die mit integrierter Photonik nur schwer zu erreichen ist, sondern auch über einen äußerst geringen Verlust von etwa 3 dB.

„In Bezug auf die Produktion geheimer Schlüsselraten und die Quantenbitfehlerraten lieferten diese neuen Experimente Ergebnisse, die denen früherer Experimente ähneln, die mit faserbasierten Komponenten durchgeführt wurden“, sagte Sax. „Das QKD-System ist jedoch viel einfacher und praktischer als die bisherigen Versuchsaufbauten und zeigt damit die Machbarkeit der Verwendung dieses Protokolls mit integrierten Schaltkreisen.“

Die Forscher arbeiten nun daran, die Systemteile in einem einfachen Rackgehäuse unterzubringen, das die Implementierung von QKD in ein Netzwerksystem ermöglichen würde.

Papier:, R. Sax, A. Boaron, G. Boso, S. Atzeni, A. Crespi, F. Grünenfelder, D. Rusca, A. Al-Saadi, D. Bronzi, S. Kupijai, H. Rhee, R. Osellame , H. Zbinden, „High-speed integriertes QKD-System“, Photonics Research, 11, 6, 1007-1014 (2023).

DOI: https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-11-6-1007&id=530973

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Integriertes Hochgeschwindigkeits-QKD-System

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