В России создают излучатели и детекторы одиночных фотонов для квантовой связи
В стране активно развивается инфраструктура квантовой связи, и ученые фокусируются на устранении уязвимостей. О достигнутых результатах сообщил член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией нелинейных резонансных процессов и лазерной диагностики Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова, Игорь Рябцев.
Источник — РИА Новости: «Лавинный заряд». В России создали устройства для отражения квантовых атак
Устройство квантовой связи
Традиционные методы связи, даже при шифровании, не соответствуют современным требованиям безопасности, поскольку информацию в оптоволоконных сетях можно перехватить. В квантовой связи ключ шифрования генерируется во время физического процесса и является абсолютно случайным. Информация передается через квант света (фотон), который можно отправлять по спутниковым каналам связи и оптоволоконным сетям.
«В квантовой системе невозможно скопировать фотон без изменения его состояния, что делает любые попытки перехвата заметными», — рассказывает доктор физико-математических наук Игорь Рябцев. Однако, процесс генерации одиночных фотонов является случайным, и его эффективность оценивается статистикой распределения Пуассона.
Обычно среднее число фотонов на импульс в квантовой криптографии — от 0,1 до 0,2. "Это значит, что в среднем только десять процентов импульсов содержат одиночные фотоны, остальные — преимущественно пустые", — говорит Игорь Рябцев.
Для создания источника одиночных фотонов используется квантовая точка из арсенида индия на подложке из арсенида галлия. Гетероструктуру выращивают методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Квантовая точка излучает одиночный фотон определенной длины волны. Чтобы его выделить, ставят оксидную апертуру.
Проблемы и их решения
Несмотря на преимущества, такие устройства требуют криогенных температур для работы, что ограничивает их применение в массовом производстве.
Другая проблема — небольшая эффективность детекторов одиночных фотонов: после сборки системы квантовой связи одиночный фотон появляется с вероятностью чуть более десяти процентов.
К тому же, помимо источника одиночного фотона, нужен еще детектор. Концепций несколько. Исторически для регистрации частицы использовали фотоэлектрические умножители — изделия хрупкие и громоздкие. Миниатюрное устройство на них не создашь.
В ИФП СО РАН выбрали компромиссный вариант: лавинный фотодиод. «Компактное устройство с низким энергопотреблением и приемлемыми характеристиками. За основу взяли американскую конструкцию и усовершенствовали», — описывает Рябцев. Проблема все та же: детектор срабатывает не на каждый фотон. Эффективность 20 — максимум 30 процентов. «Но этого достаточно для реализации идеи квантовой криптографии», — утверждает физик.
Первую линию квантовой связи длиной 700 километров запустили в 2021-м между Москвой и Санкт-Петербургом. За проект отвечает РЖД, прокладывающая оптоволоконные сети вдоль железнодорожных путей. Следом открыли еще один участок — между Москвой и Нижним Новгородом. В этом году квантовые коммуникации охватят сразу несколько городов.