Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
квантовая криптография, интегральная оптика, нанотехнологии, нанофотоника, сверхпроводниковый однофотонный детектор (sspd), волноводный сверхпроводниковый однофотонный детектор (wsspd), гибридные сверхпроводниково - нанофотонные устройства.

Цель проекта:
Получение значимых научных результатов в области квантовой криптографии с применением волноводных сверхпроводящих однофотонных детекторов (WSSPD) с улучшенными характеристиками.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения работ по проекту будут достигнуты следующие научно-практические результаты:
1. Технология изготовления нанофотонных волноводов на основе кремниевые подложки с несколькими диэлектрическими слоями под телекоммуникационные длины волн 1,55 мкм;
2. Волноводный сверхпроводниковый (NbN) детектор на чипе (WSSPD) с квантовой эффективностью близкой к 100% для света, распространяющегося внутри волновода с временную нестабильность переднего фронта импульс порядка 18 пс;
4. Система счёта одиночных фотонов на основе WSSPD, организованная на CCR.
3. Прототип квантово-криптографической системы нового поколения, с WSSPD в качестве детектора, основанной на протоколе BB84 с поляризационным кодированием сигнала и ловушечными состояниями с дальностью связи до 320 км.
4. Патенты на основные технологические и конструкционние решений проекта;
5. Статьи в высоко рейтинговых российских и зарубежных изданиях;
6. Представление результатов работ на ведущих российских и зарубежных конференциях и выставках.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Квантовая физика и родственные технологии в последнее время одна из самых динамично развивающихся областей науки, а технологии, основанные на ней, становятся все более актуальными. Исследования в этой области постоянно развиваются на протяжении десятилетий, и в последнее время отмечается ряд прорывов. Квантовая криптография является одним из них. В отличие от традиционной криптографии(от др.-греч. крипто — скрытый и графия — пишу), которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография сосредоточена на самой физике.
В настоящее время развитие квантовой криптографии идет по двум основным направлениям.
Первое направление связано с сохранением традиционной полупроводниковой технологии используемых приборов и устройств, но с совершенствованием протоколов связи при передаче шифрованной информации. На этом пути наилучшим достижением считается реализация в 2004 году лабораторной квантово-криптографической системы связи с предельной дальностью в 122 км. Работа была выполнена в компании Toshiba в Кембридже.
Второе направление основано на создании и разработке новой технологической базы используемых приборов и устройств и, прежде всего, однофотонных детекторов. Значительным прорывом в этом направлении было открытие российскими учеными (авторами предлагаемого проекта) в 2001 году эффекта однофотонного детектирования сверхпроводниковыми наноструктурами излучения ИК диапазона. Этой же группой ученых была создана и коммерциализирована новая технология практических приемных устройств – сверхпроводниковых однофотонных детекторов (SSPD - сокращ., от англ. superconducting single photon detectors). В настоящее время однофотонные приёмные системы на основе SSPD являются основным видом продукции Закрытого акционерного общества «Сверхпроводниковые нанотехнологии» (ЗАО «Сконтел»). С выводом на рынок нового типа однофотонных детекторов были экспериментально продемонстрированы значительные успехи в увеличении максимального расстояния и скорости передачи зашифрованной информации. В настоящее время многими ведущими зарубежными научно-исследовательскими группами, работающими в области квантовой криптографии, имеют в своем арсенале такие детекторы. При использовании такого типа детекторов удалось осуществить передачу квантового ключа на рекордное расстояние - 260 км со скоростью передачи данных в несколько десятков кбит/с. Это в несколько раз превосходит параметры квантово-криптографических систем, реализованных с использованием более традиционных полупроводниковых лавинных фотодиодов[2,3].
Это стало возможным благодаря уникальным характеристикам лучших сверхпроводниковых однофотонных детекторов на основе наноструктур из ультратонких пленок нитрида ниобия, изготовленных в России. Такие детекторы имеют на порядок лучшее быстродействие, а также на несколько порядков меньший уровень ложных срабатываний по сравнению с полупроводниковыми лавинными фотодиодами. Особо стоит отметить, что в Японии уже создан действующий прототип квантово-криптографической сети связи, в которую включены шесть крупных городов. И, если при связи на расстояния в несколько десятков километров, используются готовые решения, например, от компании IdQuantique, то для создания связи на большие расстояния используются приемные системы на основе (SSPD).
Вместе с тем, наряду с такими уникальными совойствами SSPD, как быстродействие, низкая скорость темнового счета и рекордные значения эквивалентой мощности шума (NEP), что особенно важно для систем квантовой криптографии, SSPD имеет и ряд недостатков, ограничивающих его широкое использование. Это, в первую очередь, низкие значения системной квантовой эффективности (10-15%), связанные с традиционным подходом к согласованию детектора с ИК-излучением. В таком подходе, сверхпроводниковый однофотонный детектор, реализованный на кремниевом чипе в форме нанополоски шириной 100 нм и толщиной 3,5-4 нм, загнут в форме меандра. Общая площадь детектора составляющая 49 мк2 покрывает площадь 7х7 мкм и жестко соединена с концом одномодового оптического волокна. При этом ИК-излучение из оптического волокна падает перпендикулярно поверхности детектора. Из-за того, что толщина NbN составляет около 3,5-4 нм, поглощение детектора как и квантовая эффективность теоретически ограничена 30%. В реальных устройствах, при наличии большого числа дефектов, уменьшающих критический ток, квантовая эффективность становиться еще меньше и составляет обычно 10-15% (при 10 темновых отсчетах и температуре 2K). Использование нового подхода к согласованию детектора с излучением, который предложен международной командой (авторами данного проекта) может исправить этот недостаток [4,5]. Основная идея подхода заключается в увеличении эффективной длины взаимодействия нанометровой полоски детектора с ИК- излучением. Для этого было предложено расположить NbN полоску на поверхности нанофотонного волновода и осуществлять согласование детектора с ИК-излучением за счет так называемых исчезающих мод, выходящих за пределы диэлектрического волновода при полном внутреннем отражении (см. рис.1). Благодаря такому подходу удается достичь почти 100% квантовой эффективности для света, распространяющегося внутри волновода. Кроме того, за счет уменьшения размеров детектора удается уменьшить временную нестабильность переднего фронта импульса до рекордных 18 пс, что в несколько раз меньше, чем у SSPD, изготовленного по стандартной технологии и на несколько порядков меньше величины, которые имеют полупроводниковые лавинные фотодиоды.
Вторым недостатком SSPD, является необходимость в использовании жидкого гелия. Рабочая температура детектора, для максимально эффективной работы, должна быть в районе 1,6-4К. Учитывая высокую стоимость жидкого гелия (порядка 900р/литр) и трудности в сборе его паров для последующего ожижения, это является крайне серьезным обстоятельством, ограничивающим более широкое использование SSPD. Данный недостаток можно решить используя так называемые безгелиевые машины замкнутого цикла, серийно выпускаемые, например, японской фирмой Sumitomo. Такие машины способны получать температуру до 2K, и работать длительный промежуток в этом режиме. Окупаемость использования машины замкнутого цикла составляет 1-2 года, что представляет значительный интерес для коммерческого использования в долгосрочных проектах, каким и является квантово-криптографическая линия связи. В рамках этой работы предстоит решить несколько технических задач, связанных с разработкой криостата, герметичного от комнатного излучения, хорошей термализации детектора, а также с эффективной фильтрацией паразитного комнатного излучения. распространяющегося по оптическому волокну.
Таким образом, актуальность проекта определяется необходимостью создания нового поколения квантово-криптографических систем, со сверхбыстрыми и сверхчувствительными детекторами, объединяющего в себе самые передовые интегральные сверхпроводниково - нанофотонные идеи.
На решение этих двух недостатков SSPD и на интеграцию детектора в квантово-криптографическую систему и направлен проект. Это приведет к значительному шагу в развитии квантовой криптографии. Благодаря созданию детекторов на нанофотонном волноводе, а также интеграции таких детектор в машину замкнутого цикла планируется увеличить скорость передачи информации, дальность передачи, а также значительно уменьшить стоимость обслуживания квантово-криптографической линии связи.

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 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.

Текущие результаты проекта:
1. Изготовлены линейки экспериментальных образцов волноводного однофотонного детектора с различными конфигурациями сверхпроводникового меандра, нановолновода и портов.
2. Создан экспериментального стенда по измерению квантовой эффективности, скорости темнового счета, временной нестабильности переднего фронта импульса.
3. Измерены основные характеристик линеек волноводных однофотонных детекторов, таких как квантовая эффективность, скорость темнового счета, временная нестабильность переднего фронта импульса.
4. Выбрана оптимальная по характеристикам конфигурация волноводных однофотонных детекторов.
5. Разработано программное обеспечения конечного пользователя, предназначенного для управления передающим и приёмным блоками, для генерации ключа, шифрования, дешифровки и передачи сообщения, реализующего пользовательский интерфейс.
6. Подготовлены к публикациям статьи
7. Подготовлена заявка на патент.