Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследование нового поколения квантово-криптографических систем на основе сверхбыстрых и сверхчувствительных гибридных сверхпроводниково-нанофотонных компонентов.

Докладчик: Гольцман Григорий Наумович

Должность: зав.кафедрой, проф., д.ф.-м.н

Цель проекта:
Целью выполнения прикладных научных исследований является разработка действующего прототипа квантово-криптографической системы связи, основанной на протоколе связи BB84 с поляризационным кодированием сигнала и использованием ловушечных состояний, с предельной дальностью до 320 км с использованием волноводных сверхпроводящих однофотонных детекторов (WSSPD) с улучшенными характеристиками.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Технология изготовления нанофотонных волноводов на кремниевых подложках с несколькими диэлектрическими слоями для телекоммуникационной длины волны 1,55 мкм.
2. Волноводный сверхпроводниковый (NbN) детектор на чипе (WSSPD) с квантовой эффективностью не менее 90% для света, распространяющегося внутри волновода, с временной нестабильностью переднего фронта импульса не больше чем 20 пс.
3. Система счѐта одиночных фотонов на основе WSSPD, организованная в машине замкнутого цикла (CCR).
4. Прототип квантово-криптографической системы нового поколения с WSSPD, основанный на протоколе BB84 с поляризационным кодированием сигнала и ловушечными состояниями с дальностью связи до 320 км и состоящий из приемного (Боб) и передающего блоков (Алиса).
5. Патенты на основные технологические и конструкционные решения проекта не менее 2 штук: на сверхпроводниковый (NbN) детектор на чипе (WSSPD) с квантовой эффективностью не менее 90% для света, распространяющегося внутри волновода и на прототип квантово-криптографической системы нового поколения.
6. Программное обеспечение конечного пользователя, предназначенное для управления передающим и приѐмным блоками, для генерации ключа, шифрования, дешифровки и передачи сообщения, реализующего пользовательский интерфейс.
7. Статьи в высоко рейтинговых российских и зарубежных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science), не менее 3 штук.
8. Представление результатов работ на ведущих российских и зарубежных конференциях и выставках, не менее 3 выступлений.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Технология изготовления нанофотонных волноводов может применяться при создании интегрированных нанофотонных схем, предназначенных для использования в системах масштабируемой квантовой логики.
2. Разработанные волноводные сверхпроводящие однофотонные детекторы (WSSPD) и приемные однофотонные системы на их основе могут быть использованы для целого ряда применений:
- создания изображений в биомедицинских системах;
- спектроскопии коррелированных фотонов, излучаемых при люминесценции одиночных молекул;
- в динамической оптической рефлектометрии и томографии;
- неразрушающий контроль больших интегральных схем, основанный на регистрации сверхслабого теплового излучения, возникающего при переключении транзисторов
- регистрация сверхслабого излучения в сочетании с высоким временным разрешением используется для исследования характеристик однофотонных источников (например, квантовых точек, параметрическое рассеяние);
- в метрологии для измерения сверхмалых мощностей излучения путём счёта единичных фотонов;
- в квантово-криптографических системах связи:
3. Разработанное новое поколение квантово - криптографической системы на основе WSSPD может применяться в научном направлении для разработки и исследования новых протоколов передачи данных, устойчивости к взлому, а также организации практических квантово-криптографических систем связи на расстояния до 320 км.
Основными потребителями результатов проекта могут выступать университетские научные группы или исследовательские подразделения коммерческих компаний заинтересованные в использовании отдельных WSSPD или готовых однофотонных детекторных систем на основе WSSPD, или же технологии нанофотонных волноводов. Разработка в России нового поколения квантовокриптографической системы может заинтересовать крупные российские коммерческие и государственные структуры, требующие в своей работе абсолютно защищённой передаче данных.
"Траектория" движения результата от разработчика к потребителю может быть выстроена следующим образом. После получения научно-технических результатов, индустриальным партнером может быть произведен мониторинг рынка высокотехнологичных устройств, выложена информация на сайте компании - индустриального партнера, после чего индустриальный партнёр приступит к поиску финансирования для проведения ОКР и созданию коммерческого продукта. Кроме того, информация о научно-технических результатов будет представляться на выставках и семинарах с участием индустриального партнера. Проект технического задания на проведение ОКР позволит сформировать требования к разработке изделия для массового производства.

Текущие результаты проекта:
1. Подготовлен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках прикладных научных исследований.
2. Проведены патентные исследования и составлен отчёт о патентных исследованиях в соответствии ГОСТ Р 15.011-96 «Система разработки и постановки продукции на производство. Патентные исследования. Содержание и порядок проведения».
3. По результатам аналитического обзора и отчёта о патентных исследованиях подготовлено обоснование и выбрано направления исследований волноводных сверхпроводниковых однофотонных детекторов на чипе (WSSPD) для создания на его основе лабораторной модели системы распределения квантового ключа на основе протокола BB84 с поляризационным кодированием сигнала и использованием ловушечных состояний.
4. Разработаны программы и методики по измерению основных характеристик нанофотонных устройств: нановолноводы, дифракционные элементы связи(порты), делители излучения при комнатной температуре, получены результаты моделирования отдельных узлов экспериментальной измерительной установки.
5. Поставлена технология осаждения пленки NbN на слой Si3N4 многослойной подложки и формирования на её основе меандра с заданными характеристиками.
6. Проведена успешная адаптация существующих численных методов моделирования к поставленной задаче по созданию нановолноводов, дифракционных элементов связи(порты), делителей излучения.
7. Разработаны основные технологические процессы изготовления нанофотонного диэлектрического волновода, дифракционных элементов связи(порты), делителей излучения на основе многослойной диэлектрической подложке.
8. С помощью численных инструментов (метод конечных разностей во временной области (FDTD), метод конечных элементов (FEM), метод расширения плоской волны (PWE) и метод анализа согласованных мод (CMA)) построены модели работы и в соответствии с моделями проведена оптимизация структуры оптических компонентов под требования проекта, включающих в себя нановолноводы, дифракционные элементы связи(порты), делители излучения.