Чип для генерации одиночных фотонов упростит квантовое распределение ключей

Специалисты Национального института стандартов и технологий США (NIST) разработали чип, способный излучать одиночные фотоны. Это достижение может существенно повлиять на развитие квантовых коммуникаций, в частности, на рынок систем квантового распределения ключей (КРК), сделав их более доступными и эффективными.

Существующие коммерческие КРК-системы, как правило, используют ослабленные лазерные импульсы. Такой подход проще реализовать технически. Однако он имеет фундаментальный недостаток: лазер с некоторой вероятностью испускает не один, а сразу несколько фотонов, либо не испускает ни одного.

Многофотонные события создают потенциальную уязвимость для атак разделением числа фотонов, когда злоумышленник может незаметно «отвести» один из фотонов в сторону и считать его состояние. Истинно одиночные фотоны гарантируют, что любая попытка перехвата неизбежно разрушит квантовое состояние, и легитимные пользователи обнаружат вторжение.

Новая разработка NIST решает эту проблему на аппаратном уровне. В качестве источника используются квантовые точки — наноструктуры, которые захватывают отдельные носители заряда. При воздействии точно настроенным лазерным импульсом такая квантовая точка излучает только один фотон.

Впрочем, пока что NIST не проводил исследования по генерации одиночных фотонов специально для квантового распределения ключей. Однако в будущем интеграция такого источника на чип совместно со сверхпроводящими детекторами одиночных фотонов (SNSPD), также разработанными в NIST, открывает путь к созданию компактных и надежных приемо-передающих модулей для КРК-систем.

С точки зрения практического применения и бизнеса появление такого чипа означает потенциальное снижение стоимости и упрощение инфраструктуры для квантово-защищенных каналов связи. До сих пор основными потребителями подобных решений оставались военные и правительственные структуры, где повышенные требования к безопасности являются более существенным фактором по сравнению с высокой стоимостью оборудования.

Новая технология NIST позволит снизить затраты. Новые чипы могут быть запущены в массовое производство уже к концу 2027 года. Чип NIST на основе одиночных фотонов, вероятно, сделает КРК доступным вариантом для более широкого круга компаний, работающих с особо чувствительными данными.

Отметим также, что дополнительным преимуществом новой технологии является потенциальное увеличение дальности связи. Использование SNSPD позволяет достоверно регистрировать одиночные фотоны на расстояниях до 965 км. Это делает технологию привлекательной для операторов связи, строящих защищенные магистрали.

Изображение сгенерировано с помощью нейросети Midjourney