Des vitesses de transmission sans précédent

Par Optica29 mai 2023

Les chercheurs ont développé un système de distribution quantique de clés (QKD) basé sur la photonique au silicium qui peut transmettre des clés sécurisées à des vitesses sans précédent. L'émetteur QKD (photo) combine un circuit intégré photonique et électrique avec un laser à diode externe. Crédit : Rebecka Sax, Université de Genève

Les scientifiques ont conçu un système de distribution quantique de clés (QKD) ancré dans la photonique intégrée, permettant la transmission de clés sécurisées à des vitesses sans précédent. Ces premières expériences de preuve de concept constituent une avancée significative vers le déploiement pratique de cette technique de communication hautement sécurisée.

QKD, une technique éprouvée de création de clés confidentielles pour une communication protégée entre des entités distantes, exploite les attributs quantiques de la lumière pour créer des clés aléatoires sécurisées. Ces clés sont utilisées pour chiffrer et déchiffrer les données. Contrairement aux protocoles de communication actuels qui reposent sur la complexité informatique pour la sécurité, la sécurité de QKD est fondée sur les principes de la physique.

"Un objectif clé de la technologie QKD est la capacité de l'intégrer simplement dans un réseau de communication du monde réel", a déclaré Rebecka Sax, membre de l'équipe de recherche de l'Université de Genève en Suisse. "Une étape importante et nécessaire vers cet objectif est l'utilisation de la photonique intégrée, qui permet de fabriquer des systèmes optiques en utilisant la même technologie de semi-conducteur que celle utilisée pour fabriquer des puces informatiques en silicium."

Le récepteur QKD à base de silice représenté se compose d'un circuit intégré photonique et de deux détecteurs externes à photon unique. Crédit : Simone Atzeni, CNR-IFN

Dans la revue Photonics Research d'Optica Publishing Group, des chercheurs dirigés par Hugo Zbinden de l'Université de Genève décrivent leur nouveau système QKD, dans lequel tous les composants sont intégrés sur des puces à l'exception du laser et des détecteurs. Cela présente de nombreux avantages tels que la compacité, le faible coût et la facilité de production en série.

"Bien que QKD puisse assurer la sécurité d'applications sensibles telles que la banque, la santé et la défense, ce n'est pas encore une technologie répandue", a déclaré Sax. "Ce travail justifie la maturité de la technologie et aide à aborder les aspects techniques de sa mise en œuvre via des circuits intégrés optiques, ce qui permettrait une intégration dans les réseaux et dans d'autres applications."

Dans des travaux antérieurs, les chercheurs ont développé un protocole QKD à trois états qui a été exécuté avec des composants standard à base de fibre pour obtenir une transmission QKD à des vitesses record.

"Notre objectif dans ce nouveau travail était de mettre en œuvre le même protocole en utilisant la photonique intégrée", a déclaré Sax. "La compacité, la robustesse et la facilité de manipulation d'un système photonique intégré - avec moins de composants à vérifier lors de la mise en œuvre ou à dépanner dans un réseau - améliorent la position de QKD en tant que technologie de communication sécurisée."

Les systèmes QKD utilisent un émetteur pour envoyer les photons codés et un récepteur pour les détecter. Dans le nouveau travail, les chercheurs de l'Université de Genève ont collaboré avec la société de photonique au silicium Sicoya GmbH à Berlin, en Allemagne, et la société de cybersécurité quantique ID Quantique à Genève pour développer un émetteur photonique au silicium qui combine un circuit intégré photonique avec un laser à diode externe.

The QKD receiver was made of silica and consisted of a photonic integrated circuit and two external single-photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> détecteurs de photons. Le groupe de Roberto Osellame à l'Institut CNR de photonique et de nanotechnologie de Milan, en Italie, a utilisé le micro-usinage laser femtoseconde pour fabriquer le récepteur.

"Pour l'émetteur, l'utilisation d'un laser externe avec un circuit intégré photonique et électronique a permis de produire et de coder avec précision des photons à une vitesse record pouvant atteindre 2,5 GHz", a déclaré Sax. "Pour le récepteur, un circuit intégré photonique à faible perte et indépendant de la polarisation et un ensemble de détecteurs externes ont permis une détection passive et simple des photons transmis. La connexion de ces deux composants avec une fibre monomode standard a permis la production à grande vitesse de clés secrètes."

Après avoir soigneusement caractérisé l'émetteur et le récepteur intégrés, les chercheurs l'ont utilisé pour effectuer un échange de clé secrète en utilisant différentes distances de fibre simulées et avec une fibre monomode de 150 km de long et des photodiodes à avalanche à photon unique, qui sont bien adaptées aux implémentations pratiques. Ils ont également réalisé des expériences à l'aide de détecteurs à nanofils supraconducteurs à photon unique, qui ont permis un taux d'erreur quantique sur les bits aussi bas que 0,8 %. Le récepteur présentait non seulement une indépendance de polarisation, ce qui est compliqué à réaliser en utilisant la photonique intégrée, mais présentait également une perte extrêmement faible, autour de 3 dB.

"En termes de production de taux de clé secrète et de taux d'erreur quantique sur les bits, ces nouvelles expériences ont produit des résultats similaires à ceux des expériences précédentes réalisées à l'aide de composants à base de fibres", a déclaré Sax. "Cependant, le système QKD est beaucoup plus simple et plus pratique que les configurations expérimentales précédentes, montrant ainsi la faisabilité d'utiliser ce protocole avec des circuits intégrés."

Les chercheurs travaillent actuellement à loger les composants du système dans un simple boîtier de rack qui permettrait à QKD d'être implémenté dans un système de réseau.

Référence: "Système QKD intégré à grande vitesse" par Rebecka SAX, Alberto Boaron, Gianluca Boso, Simone Atzeni, Andrea Crespi, Fadri Grünenfelder, Davide Rusca, Aws al-Saadi, Danilo Bronzi, Sebastian Kupijai, Hanjo Rhee, Robberto et Hupo Zbinn, 25 May2, Rhator, Robberto et Hupo Zbin, 25 May2, ROBERTO, ROBERTO et HUGO-ZBIND, 25 MAIS ICS Research.doi: 10.1364 / PRJ