高性能光子探测器在量子计算时代打击间谍

　　使用这些传感器，科学家们能够在64公里的光纤电缆上以每秒10兆比特的速度生成密钥。来源：M。PerrenoudG。RestaUNIGE
　　我们如何打击数据盗窃，这对社会来说是一个真正的问题？量子物理学有解决方案。它的理论使得在单个光粒子（光子）中编码信息（量子比特）并以高度安全的方式在光纤中循环成为可能。然而，这种电信技术的广泛使用尤其受到单光子探测器性能的阻碍。
　　日内瓦大学（UNIGE）的一个团队与IDQuantique公司一起，成功地将速度提高了20倍。这项创新发表在《自然光子学》杂志上，使得在量子密钥分发方面实现前所未有的性能成为可能。
　　购买火车票，预订出租车，送餐：这些都是每天通过移动应用程序进行的交易。这些基于涉及用户和银行之间秘密信息交换的支付系统。为此，银行生成一个公钥，该公钥被传输给他们的客户，以及一个私钥，它保密。使用公钥，用户可以修改信息，使其不可读并将其发送到银行。使用私钥，银行可以破译它。
　　这个系统现在受到量子计算机力量的威胁。为了解决这个问题，量子密码学或量子密钥分发（QKD）是最佳选择。它允许双方生成共享密钥，并以高度安全的方式通过光纤传输它们。这是因为量子力学定律指出，测量会影响被测量系统的状态。因此，如果间谍试图测量光子以窃取密钥，信息将立即被更改并显示拦截。当前限制
　　该系统应用的一个限制是用于接收信息的单光子探测器的速度。事实上，每次检测后，检测器必须恢复大约30纳秒，这将密钥的吞吐量限制在每秒10兆比特左右。由UNIGE理学院应用物理系副教授HugoZbinden领导的UNIGE团队通过开发性能更好的探测器成功地克服了这一限制。这项工作是与来自IDQuantique公司的FlixBussires团队合作进行的，该公司是该大学的衍生公司。
　　目前，我们应用中最快的探测器是超导纳米线单光子探测器，UNIGE理学院应用物理系的前博士生，该研究的第一作者FadriGrnenfelder解释说。这些设备包含一根冷却到272C的微小超导线。如果单个光子击中它，它会升温并在短时间内停止超导，从而产生可检测的电信号。当导线再次变冷时，可以检测到另一个光子。创纪录的表现
　　通过将不是一个而是十四个纳米线集成到他们的探测器中，研究人员能够实现创纪录的检测率。我们的探测器计数速度比单线设备快二十倍，HugoZbinden解释道。如果两个光子在短时间内到达这些新探测器，它们可以接触不同的导线并且都被检测到。用一根电线是不可能的。使用的纳米线也更短，这有助于减少其恢复时间。
　　使用这些传感器，科学家们能够在64公里的光缆上以每秒10兆比特的速度生成密钥。例如，这个比率足以确保有多个参与者的视频会议。这是当前技术在这个距离上性能的五倍。作为奖励，这些新探测器的生产并不比市场上现有的设备更复杂。
　　这些结果为超安全的数据传输开辟了新的前景，这对银行、医疗保健系统、政府和军队至关重要。它们还可以应用于光检测是关键要素的许多其他领域，例如天文学和医学成像。
　　更多信息：FadriGrnenfelder等人，快速单光子探测器和实时密钥蒸馏可实现高密钥速率量子密钥分配系统，NaturePhotonics（2023）。DOI：10。1038s41566023011682
　　期刊信息：NaturePhotonics