Beispiellose Übertragungsgeschwindigkeiten

Von Optica, 29. Mai 2023

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. Bildnachweis: Rebecka Sax, Universität Genf

Wissenschaftler haben ein Quantenschlüsselverteilungssystem (QKD) entwickelt, das auf integrierter Photonik basiert und die Übertragung sicherer Schlüssel mit beispielloser Geschwindigkeit ermöglicht. Diese ersten Proof-of-Concept-Experimente sind ein wichtiger Schritt in Richtung des praktischen Einsatzes dieser hochsicheren Kommunikationstechnik.

QKD, eine bewährte Technik zur Erstellung vertraulicher Schlüssel für die geschützte Kommunikation zwischen entfernten Einheiten, nutzt die Quantenattribute des Lichts, um sichere Zufallsschlüssel zu erstellen. Diese Schlüssel werden zum Verschlüsseln und Entschlüsseln von Daten verwendet. Im Gegensatz zu aktuellen Kommunikationsprotokollen, deren Sicherheit auf rechnerischer Komplexität beruht, basiert die Sicherheit von QKD auf den Prinzipien der Physik.

„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.“

Der gezeigte QKD-Empfänger auf Quarzbasis besteht aus einem photonischen integrierten Schaltkreis und zwei externen Einzelphotonendetektoren. Bildnachweis: Simone Atzeni, CNR-IFN

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 mit sich, wie z. B. Kompaktheit, niedrige Kosten und einfache Massenproduktion.

„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.“

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.

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"}]"> Photonendetektoren. 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 eine Hochgeschwindigkeitsproduktion von Geheimnissen.“ Schlüssel."

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.

Referenz: „High-speed Integrated QKD System“ von 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 und Hugo Zbinden, 25. Mai 2023, Photonics Research.DOI:10.1364/PRJ.481475