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Jul 10, 2023

検出器

npj 量子情報第 7 巻、記事番号: 40 (2021) この記事を引用する この記事は更新されました 量子鍵配布 (QKD) はフォトニック統合から大きな利点を得ることができ、

npj 量子情報第 7 巻、記事番号: 40 (2021) この記事を引用

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量子鍵配布 (QKD) は、低損失、アライメントフリー、スケーラブルなフォトニック回路の実装を可能にするフォトニック統合から大きなメリットを得ることができます。 同時に、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器 (SNSPD) は、その高効率、低い暗計数率、および低いジッターにより、QKD にとって理想的な検出器技術です。 我々は、単一光子検出器を含む、さまざまな時間ベースのプロトコルに必要な完全な光子回路を備えたQKD受信機チップを紹介します。 導波管に統合された SNSPD を利用することで、低いデッドタイムと低いダークカウント率を達成し、2.6 GHz クロックレートでの QKD 実験を実証し、検出器の飽和なしに 2.5 dB の低いチャネル減衰で 2.5 Mbit/s の秘密鍵レートを実現しました。 広帯域 3D ポリマー カプラーにより、受信機チップは通信帯域の広い波長範囲で動作できるため、高度に並列化された波長分割多重の実装への道が開かれます。

暗号化は安全な通信の基礎であり、今日のデジタル社会ではますます重要になっています。 同時に、量子コンピューティングの分野における最近の進歩 1,2 や、Shor のアルゴリズム 3 などの古くから知られている量子アルゴリズムは、非対称暗号化のための広く普及している古典的なアルゴリズムの完全性を脅かしています 4。 量子鍵配布 (QKD) は、量子コンピューターが存在する場合でも、アリスとボブの 2 者間で安全な方法で共有秘密を生成できるようにすることで、有望なソリューションとして提案されています 5,6。 ワンタイム パッド 7 などの情報理論的に安全な暗号と組み合わせると、暗号化の有望な手段となります。 複数の方式が実験的に実証されていますが、広く適用するには、現在利用可能なものよりも高い秘密鍵レートを提供する、より高速でスケーラブルなシステムが望ましいです。

超高速で拡張性の高い QKD システムを実現するには、バルク光システムに存在する拡張性と安定性の制限を克服するためにフォトニック統合が不可欠です。 オンチップ QKD の実装は、過去に連続変数 (CV-)QKD8 および離散変数 (DV-)QKD9、10、11、12、13、14 で実証されていますが、高性能の統合DV-QKD の場合の単一光子検出器 (SPD) は依然として課題です。

採用される SPD テクノロジーの選択は、DV-QKD システム全体のパフォーマンスに決定的な影響を与えます。 アバランシェ フォト ダイオード (APD) が一般的に使用されていますが、高い暗計数率 (ゲート モードで動作させる必要がある) と通信波長での検出器のデッドタイム 15 が長いという問題があります。 これは、これらの波長で動作する場合、特に高クロック レート 16 の短距離リンクの秘密キー レートを強力に制限します。これは、既存のファイバ ネットワークで広く使用されているため有益です。

ここ数年、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器 (SNSPD) が、90% 以上の検出効率 18、1 cps 未満の低い暗計数率 18、3 ps 未満のタイミング ジッター 19 を特徴とする優れた検出器技術 15,17 として登場してきました。 GHz 範囲での高い計数率20。 その性能により、それらは量子情報の分野で多くの用途があり 21、多くの QKD 実験に活用されています 22、23、24、25、26。 ただし、APD の場合と同様、光回路の残りの部分との統合は容易ではないため、光は検出器に結合される前にチップからファイバーに結合される必要があります。(SNSPD の場合) ) 低温のクライオスタット内に存在します。

我々は、導波路一体型SNSPD17、27を採用することでこれらの問題を克服し、単一の窒化シリコン（Si3N4）チップ上のQKDセットアップの受信側に必要な完全なフォトニック回路とそれらを組み合わせます。 したがって、高性能超電導ナノワイヤ検出器の利点を維持しながら、測定セットアップと検出器の間に別のインターフェースを設ける必要性を排除します。 導波路一体型 SNSPD を利用することで、ナノワイヤの形状が短いため検出器のデッドタイムが短くなる 17 など、従来の SNSPD と比較してさらなる利点も得られます。 さらに、フォトニック回路のモノリシック集積、正確な温度制御、および低温での Si3N4 の屈折率依存性が無視できる 28 ため、受信回路はタイムビンエンコーディングを利用する QKD プロトコルに求められるように、干渉計的に安定しています。