Velocidades de transmisión sin precedentes

Por OpticaMay 29, 2023

Los investigadores han desarrollado un sistema de distribución de claves cuánticas (QKD) basado en fotónica de silicio que puede transmitir claves seguras a velocidades sin precedentes. El transmisor QKD (en la foto) combina un circuito integrado fotónico y eléctrico con un láser de diodo externo. Crédito: Rebecka Sax, Universidad de Ginebra

Los científicos han creado un sistema de distribución de claves cuánticas (QKD) arraigado en la fotónica integrada, lo que permite la transmisión de claves seguras a velocidades sin precedentes. Estos experimentos iniciales de prueba de concepto sirven como un paso significativo hacia el despliegue práctico de esta técnica de comunicación altamente segura.

QKD, una técnica comprobada para crear claves confidenciales para la comunicación protegida entre entidades remotas, aprovecha los atributos cuánticos de la luz para crear claves aleatorias seguras. Estas claves se utilizan para cifrar y descifrar datos. A diferencia de los protocolos de comunicación actuales que dependen de la complejidad computacional para la seguridad, la seguridad de QKD se basa en los principios de la física.

"Un objetivo clave de la tecnología QKD es la capacidad de integrarla de forma sencilla en una red de comunicaciones del mundo real", dijo Rebecka Sax, miembro del equipo de investigación de la Universidad de Ginebra en Suiza. "Un paso importante y necesario hacia este objetivo es el uso de la fotónica integrada, que permite que los sistemas ópticos se fabriquen usando la misma tecnología de semiconductores que se usa para fabricar chips de computadora de silicio".

El receptor QKD basado en sílice que se muestra consta de un circuito fotónico integrado y dos detectores externos de un solo fotón. Crédito: Simone Atzeni, CNR-IFN

En la revista Photonics Research de Optica Publishing Group, investigadores dirigidos por Hugo Zbinden de la Universidad de Ginebra describen su nuevo sistema QKD, en el que todos los componentes están integrados en chips excepto el láser y los detectores. Esto viene con muchas ventajas, como compacidad, bajo costo y facilidad de producción en masa.

"Aunque QKD puede proporcionar seguridad para aplicaciones confidenciales como la banca, la salud y la defensa, aún no es una tecnología generalizada", dijo Sax. "Este trabajo justifica la madurez de la tecnología y ayuda a abordar los aspectos técnicos relacionados con su implementación a través de circuitos integrados ópticos, lo que permitiría la integración en redes y en otras aplicaciones".

En trabajos anteriores, los investigadores desarrollaron un protocolo QKD de intervalo de tiempo de tres estados que se llevó a cabo con componentes estándar basados ​​en fibra para lograr la transmisión QKD a velocidades récord.

"Nuestro objetivo en este nuevo trabajo era implementar el mismo protocolo usando fotónica integrada", dijo Sax. "La compacidad, robustez y facilidad de manipulación de un sistema fotónico integrado, con menos componentes para verificar al implementar o solucionar problemas en una red, mejora la posición de QKD como tecnología para la comunicación segura".

Los sistemas QKD utilizan un transmisor para enviar los fotones codificados y un receptor para detectarlos. En el nuevo trabajo, los investigadores de la Universidad de Ginebra colaboraron con la empresa de fotónica de silicio Sicoya GmbH en Berlín, Alemania, y la empresa de ciberseguridad cuántica ID Quantique en Ginebra para desarrollar un transmisor de fotónica de silicio que combina un circuito integrado fotónico con un láser de diodo externo.

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"}]"> detectores de fotones El grupo de Roberto Osellame en el Instituto CNR de Fotónica y Nanotecnología en Milán, Italia, usó micromecanizado láser de femtosegundo para fabricar el receptor.

"Para el transmisor, el uso de un láser externo con un circuito integrado fotónico y electrónico hizo posible producir y codificar fotones con precisión a una velocidad récord de hasta 2,5 GHz", dijo Sax. "Para el receptor, un circuito integrado fotónico de baja pérdida e independiente de la polarización y un conjunto de detectores externos permitieron la detección pasiva y simple de los fotones transmitidos. La conexión de estos dos componentes con una fibra monomodo estándar permitió la producción de alta velocidad de secreto llaves."

Después de caracterizar a fondo el transmisor y el receptor integrados, los investigadores lo utilizaron para realizar un intercambio de claves secretas utilizando diferentes distancias de fibra simuladas y con una fibra monomodo de 150 km de largo y fotodiodos de avalancha de fotón único, que son muy adecuados para implementaciones prácticas. . También realizaron experimentos utilizando detectores de nanocables superconductores de fotón único, que permitieron una tasa de error cuántico de bits tan baja como 0,8 %. El receptor no solo presentaba independencia de polarización, lo cual es complicado de lograr usando fotónica integrada, sino que también presentaba una pérdida extremadamente baja, alrededor de 3 dB.

"En términos de producción de tasa de clave secreta y tasas de error de bit cuántico, estos nuevos experimentos produjeron resultados similares a los de experimentos anteriores realizados con componentes basados ​​en fibra", dijo Sax. "Sin embargo, el sistema QKD es mucho más simple y práctico que las configuraciones experimentales anteriores, lo que muestra la viabilidad de usar este protocolo con circuitos integrados".

Los investigadores ahora están trabajando para alojar las partes del sistema en un gabinete de rack simple que permitiría implementar QKD en un sistema de red.

Referencia: "Sistema QKD integrado de alta velocidad" de 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 y Hugo Zbinden, 25 de mayo de 2023, Photonics Research.DOI:10.1364/PRJ.481475