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Jul 10, 2023

Rivelatore

npj Quantum Information volume 7, numero articolo: 40 (2021) Cita questo articolo Questo articolo è stato aggiornato La distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) può trarre grandi vantaggi dall'integrazione fotonica, che consente

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Questo articolo è stato aggiornato

La distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) può trarre grandi vantaggi dall'integrazione fotonica, che consente di implementare circuiti fotonici a bassa perdita, senza allineamento e scalabili. Allo stesso tempo, i rilevatori superconduttori di nanofili a fotone singolo (SNSPD) sono una tecnologia di rilevamento ideale per QKD grazie alla loro alta efficienza, basso tasso di conteggio di buio e basso jitter. Presentiamo un chip ricevitore QKD dotato dell'intero circuito fotonico necessario per diversi protocolli basati sul tempo, inclusi i rilevatori di singolo fotone. Utilizzando SNSPD integrati nella guida d'onda otteniamo tempi morti bassi insieme a bassi tassi di conteggio del buio e dimostriamo un esperimento QKD con una frequenza di clock di 2,6 GHz, ottenendo velocità di chiave segreta di 2,5 Mbit/s per attenuazioni di canale basse di 2,5 dB senza saturazione del rilevatore. Grazie agli accoppiatori polimerici 3D a banda larga, il chip del ricevitore può essere utilizzato in un ampio intervallo di lunghezze d'onda nella banda delle telecomunicazioni, aprendo così la strada a implementazioni di multiplexing a divisione di lunghezza d'onda altamente parallelizzate.

La crittografia è la base per una comunicazione sicura e diventa sempre più importante nell'odierna società digitale. Allo stesso tempo, i recenti progressi nel campo dell'informatica quantistica1,2 e algoritmi quantistici noti da tempo come l'algoritmo di Shor3 minacciano l'integrità degli algoritmi classici diffusi per la crittografia asimmetrica4. La distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) è stata proposta come una soluzione promettente consentendo di generare un segreto condiviso tra due parti, Alice e Bob, in modo dimostrabilmente sicuro anche in presenza di computer quantistici5,6. Insieme ai codici teoricamente sicuri per le informazioni come il one-time pad7, fornisce un mezzo promettente per la crittografia. Sono stati dimostrati sperimentalmente diversi schemi, ma per essere ampiamente applicabili, sono auspicabili sistemi più veloci e scalabili che forniscano tassi di chiavi segrete più elevati di quelli attualmente disponibili.

Per ottenere sistemi QKD ultraveloci e altamente scalabili, l'integrazione fotonica è fondamentale per superare le limitazioni di scalabilità e stabilità presenti nei sistemi ottici sfusi. Sebbene in passato siano state dimostrate implementazioni di QKD su chip per QKD8 a variabile continua (CV-) e anche per QKD9,10,11,12,13,14 a variabile discreta, l'integrazione di sistemi ad alte prestazioni i rilevatori di fotone singolo (SPD) nel caso di DV-QKD rimangono una sfida.

La scelta della tecnologia SPD impiegata ha un impatto decisivo sulle prestazioni dell'intero sistema DV-QKD. I fotodiodi da valanga (APD) sono comunemente usati, ma soffrono di elevati tassi di conteggio di buio (che richiede il loro funzionamento in modalità controllata) e di grandi tempi morti del rilevatore15 alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni. Ciò limita fortemente le velocità delle chiavi segrete, soprattutto per i collegamenti a bassa distanza per frequenze di clock elevate16 quando si opera a queste lunghezze d'onda, il che è vantaggioso a causa del loro uso diffuso nelle reti in fibra esistenti.

Negli ultimi anni i rivelatori a fotone singolo superconduttori su nanofili (SNSPD) sono emersi come una tecnologia di rilevamento superiore15,17 con efficienze di rilevamento superiori al 90%18, bassi tassi di conteggio oscuro di <1 cps18, jitter temporale di <3 ps19 e velocità di conteggio elevate nella gamma GHz20. Grazie alle loro prestazioni hanno molte applicazioni nel campo dell'informazione quantistica21 e hanno trovato posto in molti esperimenti QKD22,23,24,25,26. Tuttavia, come nel caso degli APD, l'integrazione con il resto del circuito fotonico non è facilmente possibile e quindi la luce deve essere accoppiata dal chip in una fibra prima di essere accoppiata al rilevatore, che (nel caso degli SNSPD ) risiede all'interno di un criostato a basse temperature.

Superiamo questi problemi impiegando SNSPD integrati nella guida d'onda17,27 e combinandoli con l'intero circuito fotonico necessario per il lato ricevitore della configurazione QKD su un singolo chip di nitruro di silicio (Si3N4). Pertanto, manteniamo i vantaggi dei rilevatori di nanofili superconduttori ad alte prestazioni, eliminando al contempo la necessità di un'interfaccia separata tra la configurazione di misurazione e i rilevatori. Utilizzando SNSPD integrati nella guida d'onda otteniamo anche ulteriori vantaggi rispetto ai tradizionali SNSPD, come tempi morti del rilevatore più brevi17 grazie alle geometrie dei nanofili più corte. Inoltre, grazie all'integrazione monolitica del circuito fotonico, al controllo preciso della temperatura e alla dipendenza trascurabile dell'indice di rifrazione dalla temperatura di Si3N4 a basse temperature28, il circuito ricevitore è interferometricamente stabile, come desiderato per i protocolli QKD che utilizzano la codifica time-bin.