Фотонные чипы для квантовой системы безопасности QKD

1 декабрь, 2021 - 18:05Леонид Бараш

Компания Toshiba Europe Ltd разработала первую в мире систему квантового распределения ключей (QKD), основанную на фотонных чипах.

Чипы, основанные на стандартной технологии обработки полупроводников, являются основой массового производства технологий квантовой безопасности, что позволяет применять их в гораздо более широком диапазоне сценариев, включая Интернет вещей (IoT), сообщает Toshiba.

Части технологии были разработаны в рамках проекта AQuaSeC в Великобритании вместе с BT, где у Toshiba есть ключевые развертывания квантовых сетей, и KETS Quantum Technology, дочерней компанией Бристольского университета, которая также разработала фотонно-квантовые QKD-чипы.

Полный прототип QKD является первым с квантовыми фотонными чипами с различными функциями. Случайные биты для подготовки и измерения кубитов производятся в чипах квантового генератора случайных чисел (QRNG) и преобразуются в реальном времени в высокоскоростные шаблоны модуляции для QKD для передатчика (QTx) и приемника (QRx) на чипе с использованием программируемых вентильных матриц (FPGA).

«Мы наблюдаем с фотонными интегральными схемами (PIC) революцию, аналогичную той, которая произошла с электронными схемами. PIC постоянно обслуживают все более и более разнообразные приложения», - сказал Таофик Параисо (Taofiq Paraiso), ведущий автор статьи в Nature Photonics, описывающей систему QKD в масштабе чипа. - Конечно, требования к квантовым PIC более строгие, чем для обычных приложений, но эта работа показывает, что полностью развертываемая система QKD на основе микросхем теперь достижима, что знаменует конец важной проблемы для квантовых технологий. Это открывает широкий спектр перспектив для развертывания компактных квантовых устройств с функцией plug-and-play, которые, безусловно, сильно повлияют на наше общество».

Фотоны обнаруживаются с помощью быстродействующих детекторов одиночных фотонов. Просеивание, оценка статистики фотонов, временная синхронизация и фазовая стабилизация выполняются через оптический канал со скоростью 10 Гбит/с между ядрами FPGA, что обеспечивает автономную работу в течение продолжительных периодов времени. В рамках демонстрации система чипа QKD была сопряжена с коммерческим шифровальщиком, что позволило обеспечить безопасную передачу данных со скоростью до 100 Гбит/с.

Блоки QKD собраны в корпусах высотой 1U для монтажа в стойку. Чипы QRx и QTx упакованы в модули C-form-factor-pluggable-2 (CFP2), чтобы обеспечить прямую совместимость системы с последующими поколениями микросхем QKD, что делает ее легко модернизируемой. Стандартные сменные модули малого форм-фактора (SFP) 10 Гбит/с используются для каналов связи общего пользования.

QKD удовлетворяет спрос на криптографию, которая будет защищена от атак квантовых компьютеров. Доказано из первых принципов, что протоколы, используемые для квантовой криптографии, могут быть безопасными и не будут уязвимы для атак квантового компьютера или любого другого компьютера в будущем.

Ожидается, что рынок QKD вырастет примерно до 20 миллиардов долларов во всем мире в FY2035, и Toshiba уже создала бизнес в Кембридже по производству систем QKD на основе дискретных оптических компонентов. Крупные оптоволоконные сети с квантовой защитой в настоящее время строятся в Европе и Юго-Восточной Азии, и есть планы по запуску спутников, которые могут расширить сети до глобального масштаба, а Toshiba внедрила квантовые сети метро и оптоволоконные магистрали большой протяженности в Великобритании, Европе, США и Японии.

Чипы квантового передатчика, разработанные Toshiba, имеют размеры всего 2x6 мм, что позволяет одновременно производить несколько сотен чипов на пластине.

«Фотонная интеграция позволит нам производить устройства квантовой безопасности в больших количествах с высокой воспроизводимостью. Это позволит производить квантовые продукты в меньшем форм-факторе и впоследствии позволит развернуть QKD в большей части телекоммуникационной и передачи данных», - сказал Эндрю Шилдс (Andrew Shields), глава отдела квантовых технологий в Toshiba Europe.

Таро Шимада (Taro Shimada), старший вице-президент и директор по цифровым технологиям Toshiba Corporation, комментирует: «Toshiba инвестирует в исследования и разработки квантовых технологий в Великобритании более двух десятилетий. Это последнее достижение очень важно, так как оно позволит нам производить и поставлять QKD в гораздо больших количествах. Это важная веха на пути к нашему видению построения платформы для квантово-безопасной связи, основанной на повсеместных квантовых устройствах безопасности».

Фотонные чипы для квантовой системы безопасности QKD

Toshiba заявляет о первой в мире системе QKD для сетей и Интернета вещей, основанной на дискретном квантовом передатчике, приемнике и фотонных чипах для генерации случайных чисел