在量子计算时代打击间谍的高性能光子检测器
发布时间：2023-03-14 08:00:00 阅读数： 665
我们如何才能打击数据盗窃，这是一个真正的社会问题？量子物理学提供了解决方案。它的理论使得将信息（一个量子）编码在单个光粒子（一个光子）中并以高度安全的方式在光纤中循环成为可能。然而，这种电信技术的广泛使用尤其受到单光子探测器性能的阻碍。
来自日内瓦大学（UNIGE）的一个团队与ID Quantique公司一起，成功地将其速度提高了20倍。这项创新发表在《自然-光子学》杂志上，使其有可能在量子密钥分配中实现前所未有的性能。
购买火车票、预订出租车、送餐：这些都是每天通过移动应用程序进行的交易。这些都是基于支付系统，涉及用户和银行之间的秘密信息交换。为此，银行生成一个公钥和一个私钥，前者被传送给他们的客户，后者被保密。通过公钥，用户可以修改信息，使其不可读，并将其发送给银行。有了私钥，银行就可以破译它。
这个系统现在受到了量子计算机力量的威胁。为了解决这个问题，量子密码学--或量子密钥分配（QKD）--是最佳选择。它允许双方产生共享密匙，并以高度安全的方式通过光纤传输。这是因为量子力学定律指出，测量会影响被测量系统的状态。因此，如果一个间谍试图测量光子以窃取钥匙，信息将立即被改变，截获的信息也会被发现。
目前的限制
该系统应用的一个限制是用于接收信息的单光子探测器的速度。事实上，在每次探测之后，探测器必须恢复大约30纳秒，这就限制了秘钥的吞吐量，大约为每秒10兆比特。由UNIGE理学院应用物理系副教授Hugo Zbinden领导的一个UNIGE团队，通过开发一种性能更好的探测器，成功地克服了这一限制。这项工作是与来自ID Quantique公司的Félix Bussières团队合作进行的，该公司是该大学的衍生公司。
"目前，我们应用的最快探测器是超导纳米线单光子探测器，"UNIGE理学院应用物理系的前博士生、该研究的第一作者Fadri Grünenfelder解释道。"这些设备包含一条冷却到-272℃的微小超导线。如果一个光子击中它，它就会发热并在短时间内停止超导，从而产生一个可检测的电信号。当这根线再次变冷时，可以检测到另一个光子"。
创纪录的性能
通过将不是一个而是十四个纳米线集成到他们的探测器中，研究人员能够实现创纪录的检测率。"我们的探测器的计数速度比单线设备快20倍，"Hugo Zbinden解释说。"如果两个光子在很短的时间内到达这些新的探测器，它们可以接触到不同的导线，并同时被检测到。而在单线上，这是不可能的。使用的纳米线也更短，这有助于减少其恢复时间。
利用这些传感器，科学家们能够在10公里的光缆上以每秒64兆比特的速度生成一个秘密密钥。这一速率足以保证例如有几个参与者的视频会议的安全。这是当前技术在这一距离上性能的五倍。作为奖励，这些新的检测器在生产上并不比目前市场上的设备更复杂。
这些成果为超安全的数据传输开辟了新的前景，这对银行、医疗保健系统、政府和军队来说至关重要。它们还可以应用于其他许多以光探测为关键要素的领域，如天文学和医学成像。
更多信息
Fadri Grünenfelder et al, Fast single-photon detectors and real-time key distillation enable high secret-key-rate quantum key distribution systems, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01168-2
