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Jul 10, 2023

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npj Quantum Information 7권, 기사 번호: 40(2021) 이 기사 인용 이 기사가 업데이트되었습니다. 양자 키 분배(QKD)는 광자 통합의 이점을 크게 누릴 수 있습니다.

npj Quantum Information 7권, 기사 번호: 40(2021) 이 기사 인용

이 기사가 업데이트되었습니다.

QKD(양자 키 분배)는 저손실, 정렬이 필요 없고 확장 가능한 광자 회로 구현을 가능하게 하는 광자 통합의 이점을 크게 누릴 수 있습니다. 동시에 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기(SNSPD)는 고효율, 낮은 암흑 카운트율 및 낮은 지터로 인해 QKD에 이상적인 검출기 기술입니다. 우리는 단일 광자 검출기를 포함하여 다양한 시간 기반 프로토콜에 필요한 전체 광자 회로를 갖춘 QKD 수신기 칩을 제시합니다. 도파관 통합 SNSPD를 활용하여 낮은 암흑 카운트 속도와 함께 낮은 데드 타임을 달성하고 2.6GHz 클록 속도에서 QKD 실험을 시연하여 검출기 포화 없이 2.5dB의 낮은 채널 감쇠에 대해 2.5Mbit/s의 비밀 키 속도를 생성합니다. 광대역 3D 폴리머 커플러 덕분에 수신기 칩은 통신 대역의 넓은 파장 범위에서 작동할 수 있으므로 고도로 병렬화된 파장 분할 다중화 구현을 위한 길을 열었습니다.

암호화는 보안 통신의 기초이며 오늘날의 디지털 사회에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 동시에 양자 컴퓨팅 분야의 최근 발전과 Shor의3 알고리즘과 같이 오랫동안 알려진 양자 알고리즘은 비대칭 암호화4에 대해 널리 퍼져 있는 기존 알고리즘의 무결성을 위협합니다. QKD(양자 키 배포)는 양자 컴퓨터가 있는 경우에도 안전한 방식으로 Alice와 Bob이라는 두 당사자 간에 공유 비밀을 생성할 수 있는 유망한 솔루션으로 제안되었습니다5,6. 일회용 패드7와 같은 정보 이론적으로 안전한 암호와 함께 유망한 암호화 수단을 제공합니다. 여러 가지 방식이 실험적으로 입증되었지만 광범위하게 적용하려면 현재 사용 가능한 것보다 더 높은 비밀 키 비율을 제공하는 더 빠르고 확장 가능한 시스템이 바람직합니다.

초고속 및 확장성이 뛰어난 QKD 시스템을 달성하려면 벌크 광학 시스템에 존재하는 확장성과 안정성 제한을 극복하기 위해 광자 통합이 중요합니다. 온칩 QKD 구현은 과거 연속 변수(CV-)QKD8 및 이산 변수(DV-)QKD9,10,11,12,13,14에 대해 시연되었지만 고성능 통합 DV-QKD의 경우 단일 광자 검출기(SPD)는 여전히 과제로 남아 있습니다.

채택된 SPD 기술의 선택은 전체 DV-QKD 시스템의 성능에 결정적인 영향을 미칩니다. APD(Avalanche Photo Diode)가 일반적으로 사용되지만 높은 암흑률(게이트 모드에서 작동해야 함)과 통신 파장에서 큰 검출기 불감 시간15이라는 문제가 있습니다. 이는 특히 이러한 파장에서 작동할 때 높은 클럭 속도16를 위한 저거리 링크의 비밀 키 속도를 강력하게 제한하며, 이는 기존 광섬유 네트워크에서 널리 사용되기 때문에 유리합니다.

지난 몇 년 동안 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기(SNSPD)는 90% 이상의 검출 효율, <1 cps18의 낮은 암흑 카운트 비율, <3 ps19의 타이밍 지터 및 GHz 범위에서 높은 카운트 속도20. 성능으로 인해 양자 정보 분야에서 많은 응용 프로그램을 보유하고 있으며 많은 QKD 실험에 진출했습니다. 그러나 APD의 경우와 마찬가지로 광자 회로의 나머지 부분과의 통합은 쉽게 불가능하므로 빛은 검출기에 결합되기 전에 칩 외부의 광섬유로 결합되어야 합니다. )는 저온의 저온 유지 장치 내부에 있습니다.

우리는 도파관 통합 SNSPD17,27를 사용하고 이를 단일 실리콘 질화물(Si3N4) 칩의 QKD 설정의 수신기 측에 필요한 전체 광자 회로와 결합하여 이러한 문제를 극복했습니다. 따라서 우리는 측정 설정과 검출기 사이에 별도의 인터페이스가 필요하지 않으면서도 고성능 초전도 나노와이어 검출기의 이점을 유지합니다. 도파관 통합 SNSPD를 활용함으로써 우리는 더 짧은 나노와이어 형상으로 인해 더 짧은 검출기 데드 타임17과 같은 기존 SNSPD에 비해 추가적인 이점도 얻습니다. 또한, 광자 회로의 모놀리식 통합, 정밀한 온도 제어 및 저온에서 Si3N4의 온도에 대한 무시할 수 있는 굴절률 의존성으로 인해 수신기 회로는 타임빈 인코딩을 활용하는 QKD 프로토콜에 필요한 대로 간섭계적으로 안정적입니다.