M. Hollenbach et al. / Optics Express, 2020
Физики из Германии создали источник инфракрасных одиночных фотонов на основе кремния: он может генерировать до ста тысяч фотонов в секунду. Такой подход позволяет объединить квантовую криптографию с современными кремниевыми технологиями. Работа опубликована в журнале Optics Express.
Квантовое распределение ключа — это абсолютно безопасный способ обмена секретными ключами между пользователями. Безопасность этого метода основана на фундаментальных законах квантовой физики: процесс измерения квантовой системы изменяет ее состояние. Злоумышленник, который попытается украсть ключ, должен каким-то образом измерить его, но измерение вводит аномалии, которые видят и легитимные участники протокола. Таким образом, пользователи могут раскрыть и проверить часть полученного ключа и убедиться, что никто, кроме них самих, его не измерял.
Большинство протоколов квантовой криптографии основаны на передаче одиночных фотонов. Это необходимо для секретности: если ключ закодирован в большом количестве частиц, то злоумышленник может забрать часть фотонов себе и проделать затем те же манипуляции, что и легитимные пользователи, и узнать ключ, а о его наличии другие не узнают. Однако на сегодняшний день источники одиночных фотонов — это очень сложные физические системы, которые не всегда хорошо сочетаются с современной электроникой, а генерируемые фотоны плохо распространяются по оптоволокну.
Ученые из Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф и Дрезденского технического университета под руководством Михаэля Холленбаха (Michael Hollenbach) разработали систему генерации одиночных фотонов на основе кремниевых чипов, на которых строится современная электроника.
Схема генератора одиночных фотонов на основе G-центров.
M. Hollenbach, Y. Berencén, U. Kentsch, M. Helm, and G. V. Astakhov / Optics Express, 2020
Чтобы заставить кремний генерировать фотоны в инфракрасном диапазоне для волоконно-оптической связи, ученые поместили атомы углеродом в кремний с помощью ускорителя. В результате, два соседних атома углерода вместе с атомом кремния образовали искусственный атом, который может излучать фотоны (такие объекты в кремнии называются G-центрами). При облучении лазером искусственный атом испускает инфракрасные фотоны с длинной волны 1,3 микрона.
Полученные фотоны отлично распространяются по стекловолокну — это перспективное решение в том числе и для реализации протоколов квантовой криптографии.
Схема создания полномасштабного генератора и детектора одиночных фотонов на основе разработанной технологии G-центров.
M. Hollenbach, Y. Berencén, U. Kentsch, M. Helm, and G. V. Astakhov / Optics Express, 2020
Разработанный прототип может стабильно генерировать около 100 тысяч одиночных фотонов в секунду. Однако, для поддержания этой системы ее необходимо охладить до гелиевых температур, около 4 кельвин. Такой подход поможет внедрить не только системы квантовой криптографии, но и квантовые процессоры, ретрансляторы и датчики в уже существующие системы, основанные на кремниевых технологиях.
В 2016 году в России была создана первая банковская линия квантовой связи, а в 2017 году ученые из МГУ представили квантовый телефон. На данный момент Российский квантовый центр, Сбербанк и фонд «Сколково» строят на территории инновационного центра крупнейшую в России линию квантовой защищенной связи суммарной протяженностью около 250 километров. Больше про квантовую криптографию вы можете прочитать, например, в материале «Квантовые технологии».
Михаил Перельштейн