Компания Toshiba Europe Ltd объявила о разработке первой в мире системы квантового распределения ключей (QKD) на основе микросхем. Этот прогресс позволит массово производить технологии квантовой безопасности, обеспечивая их применение в гораздо более широком диапазоне сценариев, включая решения для Интернета вещей (IoT).
Рисунок 1: Чип QKD, тестируемый в Кембриджской исследовательской лаборатории Toshiba Рисунок 2: Прототип оптической интегральной схемы и системы квантовой криптографии на основе чипа. (В верхнем ряду слева: микросхема квантового передатчика, микросхема квантового приемника, микросхема квантового генератора случайных чисел. Нижний ряд: система связи квантовой криптографии на основе микросхемы). Предоставлено: корпорация Toshiba.
QKD удовлетворяет спрос на криптографию, которая будет защищена от атак со стороны суперкомпьютеров завтрашнего дня. В частности, крупномасштабный квантовый компьютер сможет эффективно решать сложные математические задачи, лежащие в основе криптографии с открытым ключом технологии широко используемой сегодня для безопасной связи и электронной коммерции. Напротив, протоколы, используемые для квантовой криптографии, могут быть доказаны безопасными из первых принципов и не будут уязвимы для атак со стороны квантового компьютера или любого другого компьютера в будущем.
Ожидается, что рынок QKD вырастет примерно до 20 миллиардов долларов во всем мире в 2035 году. В настоящее время в Европе и Юго-Восточной Азии строятся крупные оптоволоконные сети с квантовой защитой, и есть планы по запуску спутников, которые могут расширить сети до глобального уровня. В октябре 2020 года Toshiba выпустила два продукта для оптоволоконного QKD, которые основаны на дискретных оптических компонентах. Совместно с партнерами по проекту Toshiba внедрила квантово-защищенные городские сети и магистральные оптоволоконные линии на большие расстояния в Великобритании, Европе, США и Японии.
Достижения в области производства
Чтобы квантовая криптография стала такой же повсеместной, как алгоритмическая криптография, которую мы используем сегодня, важно еще больше снизить размер, вес и энергопотребление. Это особенно верно для расширения QKD и генераторов квантовых случайных чисел (QRNG) на новые домены, такие как соединение последней мили с клиентом или IoT. Разработка решений на основе микросхем имеет важное значение для создания приложений массового рынка, которые станут неотъемлемой частью реализации квантовой экономики.
Toshiba разработала методы сжатия оптических схем, используемых для QKD и QRNG, в крошечные полупроводниковые микросхемы. Они не только намного меньше и легче своих оптоволоконных аналогов, но и потребляют меньше энергии. Что наиболее важно, многие из них могут быть изготовлены параллельно на одной полупроводниковой пластине с использованием стандартных технологий, используемых в полупроводниковой промышленности, что позволяет производить их в гораздо большем количестве. Например, чипы квантового передатчика, разработанные Toshiba, имеют размер всего 2×6 мм, что позволяет одновременно производить несколько сотен чипов на пластине.
Эндрю Шилдс, глава отдела квантовых технологий в Toshiba Europe, отметил: «Фотонная интеграция позволит нам производить квантовые устройства безопасности в больших объемах с высокой воспроизводимостью. Это позволит производить квантовые продукты в меньшем форм-факторе, а затем позволит развернуть QKD в большей части сети телекоммуникаций и передачи данных ».
Обзор системы связи с квантовой криптографией на основе микросхем. Предоставлено: корпорация Toshiba.
Подробности продвижения опубликованы в журнале Nature Photonics .
Техническое резюме
Системы QKD обычно содержат сложную волоконно-оптическую схему, объединяющую дискретные компоненты, такие как лазеры, электрооптические модуляторы, светоделители и оптоволоконные соединители. Поскольку эти компоненты относительно громоздки и дороги, целью данной работы была разработка системы QKD, в которой волоконно-оптическая схема и устройства записаны в полупроводниковых микросхемах миллиметрового масштаба.
Toshiba разработала первый полный прототип QKD, в котором развернуты квантовые фотонные чипы различной функциональности. Случайные биты для подготовки и измерения кубитов производятся в чипах квантового генератора случайных чисел (QRNG) и преобразуются в режиме реального времени в высокоскоростные шаблоны модуляции для передатчика QKD (QTx) и приемника (QRx) на основе чипа с помощью программируемых на месте вентильные матрицы (ПЛИС). Фотоны обнаруживаются с помощью быстродействующих детекторов одиночных фотонов. Просеивание, оценка статистики фотонов, временная синхронизация и фазовая стабилизация выполняются через оптический канал со скоростью 10 Гбит / с между ядрами FPGA, что обеспечивает автономную работу в течение продолжительных периодов времени. В рамках демонстрации система чипа QKD была сопряжена с коммерческим шифровальщиком, что позволило обеспечить безопасную передачу данных со скоростью до 100 Гбит / с.
Для обеспечения интеграции в обычные коммуникационные инфраструктуры блоки QKD собраны в компактные стоечные корпуса высотой 1U. Чипы QRx и QTx упакованы в модули C-форм-фактора-pluggable-2 (CFP2), широко распространенный форм-фактор в когерентной оптической связи, для обеспечения прямой совместимости системы с последующими поколениями микросхем QKD, что делает ее легко модернизируемой. Стандартные сменные модули малого форм-фактора (SFP) 10 Гбит / с используются для каналов связи общего пользования.
Дополнительная информация: Таофик Параисо, Фотонная интегрированная квантовая безопасная система связи, Nature Photonics (2021). DOI: 10.1038 / s41566-021-00873-0 . www.nature.com/articles/s41566-021-00873-0
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК