Powstały zintegrowane moduły do budowy systemów kwantowej dystrybucji klucza

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Upowszechnienie się komputerów kwantowych to wciąż wizja przyszłości, ale coraz bliższej. Specjaliści już myślą o zabezpieczeniu takich maszyn. Ma temu służyć zestaw procedur zwany kwantową dystrybucją klucza (QKD), w którym bezpieczeństwo gwarantują same zasady mechaniki kwantowej. Specjaliści z Toshiba Europe stworzyli właśnie pierwsze kompaktowe moduły, z których można budować systemy QKD.

Jednym z elementów modułów jest układ nadawczy, który koduje kwantową informację w świetle. Wykorzystuje w tym celu laser, który wysyła pojedyncze fotony. Dzięki precyzyjnie dobranym właściwościom fotonu jest w nim kodowana informacja, która może być odkodowana przez układ odbiorczy. Całość została zaprojektowana tak, by była wrażliwa na podsłuch. Jeśli ktoś przechwyci komunikację pomiędzy układem nadawczym a odbiorczym, system natychmiast to wykryje.

Moduły korzystają z dwufotonowych kwantowych generatorów liczb losowych (QRNG). To one decydują o sposobie szyfrowania i odszyfrowywania informacji kwantowej. Jak mówią twórcy modułów, zastosowanie QRNG to poważny krok naprzód ku zapewnieniu jeszcze większego bezpieczeństwa przesyłania danych kwantowych. Thomas Roger z Toshiby przypomina, że dotychczas nikt nie zaprezentował systemów QKD z kwantowym generowaniem liczb losowych w czasie rzeczywistym. Po raz pierwszy trzy układy – kwantowy nadajnik, kwantowy odbiornik i układ QRNG – zostały połączone i przesyłają klucze w systemie QKD, zauważa Marco Lucamarini, fizyk z University of York, który nie brał udział w pracach nad modułami Toshiby. Uczony dodaje, że inżynierowie Toshiby dokonali jeszcze dodatkowego ważnego postępu. Podczas demonstracji działania swojego systemu nie używali żadnego sprzętu laboratoryjnego, który zwyczajowo był podłączony podczas tego typu demonstracji.

Taofiq Paraiso, badacz Toshiby i główny autor artykułu opublikowanego na łamach Nature Photonics, mówi, że nie było wiadomo, czy uda się zintegrować wszystkie wspomniane elementy. Bardzo dużo wysiłku włożyliśmy w umieszczenie wszystkiego w jednym systemie i opracowanie interfejsów, dzięki którym układy mogły wymieniać dane między sobą. Integracja nie tylko się powiodła, ale całość umieszczono też w standardowych modułach używanych obecnie w systemach komunikacyjnych.

Zespół Toshiby to jedna z wielu grup specjalistów, które pracują nad stworzeniem zintegrowanych modułów do kwantowej komunikacji. Obecnie kwantowe systemy komunikacyjne są niewygodne i skomplikowane w obsłudze, gdyż składają się z wielu niezależnych komponentów. Dlatego też specjaliści próbują wykorzystać technologię fotoniczną do ich zintegrowania.

Technologia ta sprawdza się w obecnych standardowych sieciach optycznych. Zintegrowana fotonika to następca zintegrowanej elektroniki, mówi Paolo Villoresi z Uniwersytetu w Padwie. Jeśli technologia ma się rozwijać, to musi iść w tym kierunku. Tak, jak w przeszłości osobne tranzystory zostały zintegrowane w układy scalone, tak i obecnie trwają prace nad integracją elementów fotonicznych.

Przeskalowanie nieporęcznych systemów QKD do rozmiarów monety i zintegrowanie ich w łatwych do podłączenia modułach zmniejsza rozmiary, koszty i pobór energii, zatem przybliża tę technologię do momentu rynkowego debiutu, stwierdza Lucamarini.

System Toshiby to prototyp, ale jego twórcy są bardzo dobrej myśli. Testy wykazały, że współpracuje on z komercyjnymi systemami szyfrującymi i może pracować całymi tygodniami lub miesiącami bez wystąpienia większych błędów. Mają nadzieję, że w przyszłości uda im się całość jeszcze bardziej zminiaturyzować i zintegrować w istniejących sieciach komunikacyjnych. Istnieją pewne subtelne różnice pomiędzy komunikacją klasyczną a kwantową, które powodują, że nie można po prostu podłączyć systemów QKD do istniejących sieci telekomunikacyjnych i spodziewać się, że wszystko będzie działało, dodaje Roger.

« powrót do artykułu