Регистрация / Вход
Прислать материал

14.586.21.0007

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.586.21.0007
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский педагогический государственный университет"
Название доклада
Разработка и исследование нового поколения квантово-криптографических систем на основе сверхбыстрых и сверхчувствительных гибридных сверхпроводниково-нанофотонных компонентов.
Докладчик
Ожегов Роман Викторович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основная цель выполнения работы получение значимых научных результатов в области квантовой криптографии с применением волноводных сверхпроводящих однофотонных детекторов (WSSPD) с улучшенными характеристиками.
Основные задачи исследования:
1. Разработка технологии изготовления нанофотонных волноводов на кремниевых подложках с несколькими диэлектрическими слоями для телекоммуникационной длины волны 1,55 мкм.
2. Разработка волноводного сверхпроводникового (NbN) детектора 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. Разработка и изготовление системы счѐта одиночных фотонов на основе WSSPD, организованная в машине замкнутого цикла (CCR).
4. Создание прототипа 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. Создание программного обеспечения конечного пользователя, предназначенное для управления передающим и приѐмным блоками, для генерации ключа, шифрования, дешифровки и передачи сообщения, реализующего пользовательский интерфейс.

Актуальность и новизна исследования
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, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография сосредоточена на самой физике.
Актуальность проекта определяется необходимостью создания нового поколения квантово-криптографических систем, со сверхбыстрыми и сверхчувствительными детекторами, объединяющего в себе самые передовые интегральные сверхпроводниково - нанофотонные идеи.
Одним из передовых детекторов, используемых в системах квантовой криптографии, является SSPD (сверхпроводящий однофотонный детектор), изобретателями и разработчиками которого являются авторы проекта. На решение и устранение современных 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.
Описание исследования
  1. Моделирование работы и оптимизация структуры оптических компонентов, включающих в себя нановолноводы, дифракционные элементы связи (порты), делители излучения с помощью численных методов (метод конечных разностей во временной области (FDTD), метод конечных элементов (FEM), метод расширения плоской волны (PWE) и метод анализа согласованных мод (CMA)).
  2. Численное моделирование работы волноводного однофотонного детектора с различными параметрами сверхпроводникового меандра, нановолноводов, дифракционных элементов связи(портов).
  3. Выбор оптимальной конфигураций волновода и дифракционные элемента связи для создания на их основе волноводного однофотонного детектора.
  4. Выбор оптимальной по характеристикам конфигураций волноводных однофотонных детекторов.
  5. Разработка основных технологических процессов изготовления нанофотонного диэлектрического волновода, дифракционных элементов связи (портов), делителей излучения на основе многослойной диэлектрической подложки.
  6. Изготовление линеек экспериментальных образцов диэлектрических волноводов с различными конфигурациями волновода и портов.
  7. Измерение основных характеристик нанофотонных устройств: волноводы, дифракционные элементы связи (порты), делители излучения при комнатной температуре.
  8. Измерение характеристик диэлектрических волноводов на длине волны 1.55 мкм с различными конфигурациями волновода и портов при гелиевой температуре.
  9. Выбор оптимальной по характеристикам конфигураций диэлектрических волноводов и портов для создания на их основе волноводных однофотонных детекторов.
  10. Изготовление линеек экспериментальных образцов диэлектрических волноводов с делителем излучения 50:50 с различными конфигурациями волновода.
  11. Измерение характеристик диэлектрических волноводов с делителем излучения 50:50 на длине волны 1.55 мкм с различными конфигурациями волновода при гелиевой температуре.
  12. Выбор оптимальной по характеристикам конфигураций диэлектрических волноводов с делителем излучения 50:50 на длине волны 1.55 мкм.
  13. Разработка технологии осаждения пленки NbN на слой Si3N4 многослойной подложки и формирования на еѐ основе меандра с заданными характеристиками.
  14. Осаждение NbN (с последующим формированием из него меандра) на поверхность одного из плеч диэлектрического волновода с делителем излучения.
  15. Изготовление линеек экспериментальных образцов волноводного однофотонного детектора с различными конфигурациями сверхпроводникового меандра, нановолновода и портов.
  16. Измерение коэффициента пропускания для диэлектрического волновода с NbN меандром на одном из плеч делителя излучения на длине волны 1.55 мкм при гелиевой температуре.
  17. Измерение основных характеристик линеек волноводных однофотонных детекторов, таких как квантовая эффективность, скорость темнового счета, временная нестабильность переднего фронта импульса.
  18. Создание однофотонной детекторной системы в машине замкнутого цикла на основе разработанного волноводного однофотонного детектора.
  19. Создание на базе однофотонной детекторной системы и разработанных приемного и передающего блоков модели системы распределения квантового ключа.
  20. Разработка программного обеспечения конечного пользователя, предназначенного для управления передающим и приѐмным блоками, для генерации ключа, шифрования, дешифровки и передачи сообщения, реализующего пользовательский интерфейс.
  21. Создание и испытания передающего (Алиса) и приемного (Боб) блоков лабораторной модели системы распределения квантового ключа на основе протокола BB84 с поляризационным кодированием сигнала и использованием ловушечных состояний.
Результаты исследования

В РФ аналогичные работы по разработке технологий осаждения пленки NbN на слой Si3N4 многослойной подложки и формирования на ее основе меандра с заданными характеристиками больше нигде не ведутся.

1. Технология изготовления нанофотонных волноводов на основе кремниевые подложки с несколькими диэлектрическими слоями под телекоммуникационные длины волн 1,34  мкм и 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 в рефрижераторе замкнутого цикла.

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.

 

 

 

Практическая значимость исследования
Практические системы на основе научных исследований в области нелинейной интегральной оптики, нанофотоники, в волоконно-оптической связи и квантовой криптографии могут находить применение в таких областях как связь, радиолокация высокого разрешения, сканирующие системы и спектрометры для биологии и медицины, широкополосная межспутниковая связь, экология и метеорология.

Экономическая эффективность и значимость работы:
Созданный детектор на нанофотонном волноводе и интеграция его в рефрижератор замкнутого цикла позволит увеличить скорость передачи информации, дальность передачи в оптико-волоконных системах, в том числе в линиях передачи защищенной информации, в системах квантовой криптографии, тем самым понизив стоимость обслуживания таких линий связи.

Прогнозные предположения о развитии объекта исследования:
Достигнутые успехи на пути создания квантово-криптографических систем связи показывают высокую вероятность создания нового типа конкурентного продукта, с новыми, улучшенными характеристиками, принципиально не достижимыми в рамках предшествующих технологий. Потенциальный объем рынка, оцененный исходя из специфики основных потребителей продукции, а также коммерческой самостоятельности разрабатываемой технологии и отдельных узлов систем квантово-криптографической связи, составляет примерно 300 млн. руб. в год.

Рекомендации по внедрению:
Результаты данного проекта могут быть использованы при разработке нового поколения телекоммуникационных систем дальней оптоволоконной связи, основанной на применении быстродействующих однофотонных оптических приемников; при разработке технологий создания приемных модулей систем квантово криптографической связи с более высокими эксплуатационными характеристиками.
Постер

14.586.21.007.ppt