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Jul 10, 2023

Detector

npj Quantum Information volume 7, Artigo número: 40 (2021) Cite este artigo Este artigo foi atualizado A distribuição de chave quântica (QKD) pode se beneficiar muito da integração fotônica, que permite

npj Quantum Information volume 7, número do artigo: 40 (2021) Citar este artigo

Este artigo foi atualizado

A distribuição quântica de chaves (QKD) pode se beneficiar muito da integração fotônica, que permite a implementação de circuitos fotônicos escalonáveis, de baixa perda e sem alinhamento. Ao mesmo tempo, os detectores de fóton único de nanofios supercondutores (SNSPD) são uma tecnologia de detector ideal para QKD devido à sua alta eficiência, baixa taxa de contagem de escuro e baixo jitter. Apresentamos um chip receptor QKD com todo o circuito fotônico necessário para diferentes protocolos baseados em tempo, incluindo detectores de fóton único. Ao utilizar SNSPDs integrados com guia de ondas, alcançamos tempos mortos baixos juntamente com baixas taxas de contagem de escuridão e demonstramos um experimento QKD com freqüência de 2,6 GHz, produzindo taxas de chave secreta de 2,5 Mbit/s para baixas atenuações de canal de 2,5 dB sem saturação do detector. Devido aos acopladores de polímero 3D de banda larga, o chip receptor pode ser operado em uma ampla faixa de comprimento de onda na banda de telecomunicações, abrindo caminho para implementações de multiplexação por divisão de comprimento de onda altamente paralelizadas.

A criptografia é a base para uma comunicação segura e torna-se cada vez mais significativa na sociedade digital atual. Ao mesmo tempo, o progresso recente no campo da computação quântica1,2 e algoritmos quânticos há muito conhecidos, como o algoritmo de Shor3, ameaçam a integridade dos algoritmos clássicos generalizados para criptografia assimétrica4. A distribuição de chave quântica (QKD) foi proposta como uma solução promissora ao permitir gerar um segredo compartilhado entre duas partes, Alice e Bob, de uma forma comprovadamente segura, mesmo na presença de computadores quânticos5,6. Juntamente com cifras de informação teoricamente seguras, como o one-time pad7, ele fornece um meio promissor de criptografia. Vários esquemas foram demonstrados experimentalmente, mas para serem amplamente aplicáveis, são desejáveis ​​sistemas mais rápidos e escaláveis ​​que forneçam taxas de chaves secretas mais altas do que as atualmente disponíveis.

Para alcançar sistemas QKD ultrarrápidos e altamente escaláveis, a integração fotônica é crucial para superar as limitações de escalabilidade e estabilidade presentes em sistemas ópticos em massa. Embora implementações de QKD no chip tenham sido demonstradas no passado para QKD de variável contínua (CV-)8 e também para QKD de variável discreta (DV-)9,10,11,12,13,14, a integração de alto desempenho detectores de fóton único (SPDs) no caso de DV-QKD continuam sendo um desafio.

A escolha da tecnologia SPD utilizada tem impacto decisivo no desempenho geral do sistema DV-QKD. Os fotodiodos de avalanche (APDs) são comumente usados, mas sofrem com altas taxas de contagem de escuridão (o que exige operá-los em modo fechado) e grandes tempos mortos de detector15 em comprimentos de onda de telecomunicações. Isto restringe fortemente as taxas de chave secreta, especialmente para links de baixa distância para altas taxas de clock16 quando operando nesses comprimentos de onda, o que é benéfico devido ao seu uso generalizado em redes de fibra existentes.

Nos últimos anos, detectores de fóton único de nanofios supercondutores (SNSPDs) emergiram como uma tecnologia de detector superior15,17 apresentando eficiências de detecção de mais de 90%18, baixas taxas de contagem de escuro de <1 cps18, jitter de temporização de <3 ps19 e altas taxas de contagem na faixa de GHz20. Devido ao seu desempenho, eles têm muitas aplicações no campo da informação quântica21 e foram incluídos em muitos experimentos QKD22,23,24,25,26. No entanto, como é o caso dos APDs, a integração com o resto do circuito fotônico não é facilmente possível e, portanto, a luz tem que ser acoplada do chip para uma fibra antes de ser acoplada ao detector, que (no caso dos SNSPDs ) reside dentro de um criostato em baixas temperaturas.

Superamos esses problemas empregando SNSPDs integrados ao guia de ondas e combinando-os com o circuito fotônico completo necessário para o lado do receptor da configuração QKD em um único chip de nitreto de silício (Si3N4). Assim, mantemos os benefícios dos detectores de nanofios supercondutores de alto desempenho, ao mesmo tempo que eliminamos a necessidade de uma interface separada entre a configuração de medição e os detectores. Ao utilizar SNSPDs integrados com guia de ondas, também obtemos benefícios adicionais em comparação com os SNSPDs tradicionais, como tempos mortos de detector mais curtos devido às geometrias mais curtas dos nanofios. Além disso, devido à integração monolítica do circuito fotônico, ao controle preciso da temperatura e à dependência insignificante do índice de refração da temperatura do Si3N4 em baixas temperaturas, o circuito receptor é interferometricamente estável, conforme desejado para protocolos QKD utilizando codificação de intervalo de tempo.