Улучшение характеристик систем КРК с помощью внешних детекторов одиночных фотонов IDQ

Введение

Актуальной задачей исследований в области квантовой криптографии является увеличение расстояний, доступных для квантового распределения ключей (КРК), и скоростей генерации ключей. Более того, в мире наблюдается рост интереса к стандартизации и сертификации систем КРК, оценке безопасности, а также внедрению протоколов КРК в оптические и спутниковые сети, интеграции в архитектуры безопасности в сочетании с другими криптографическими методами.

Применение системы КРК промышленного класса, сохраняющей при этом доступность и простоту использования, поможет сэкономить время и усилия при обустройстве лаборатории, а непосредственный доступ к экспериментальным данным и контроль над оптическими и электронными компонентами обеспечат гибкость установки для множества направлений исследований.

Система КРК Clavis XGR

Серия XG – четвертое поколение систем КРК телекоммуникационного класса производства IDQ, а модель XGR – расширение серии XG для производственных сред (рис. 1). Автоматизированная система Clavis XGR – это решение «под ключ» с удобным комплексным программным обеспечением, нацеленное на удовлетворение потребностей исследователей за счёт гибкой настройки параметров, доступа к «сырым» необработанным данным и поддержки стандартизированных интерфейсов для подключения к экспериментальным сетям.

Рисунок 1 – Clavis XGR

КРК с внешними детекторами одиночных фотонов

Улучшение характеристик систем КРК – развивающееся направление исследований, к актуальным задачам которого относятся увеличение скоростей генерации секретного ключа на коротких расстояниях и расширение динамического диапазона. Это достигается с помощью установки дополнительных внешних детекторов различных типов.

Внешние лавинные фотодиоды 

Использование внешних лавинных детекторов одиночных фотонов (SPAD) вместо встроенных, применяемых в коммерчески доступных системах КРК, обеспечивает доступ к большему количеству параметров для настройки детекторов. Особенно примечательными оказываются следующие вариации характеристик детекторов.

Во-первых, квантовая эффективность взаимосвязана с частотой темновых отсчётов (DCR) и временным джиттером. По мере увеличения тока смещения через фотодиод улучшаются квантовая эффективность и временной джиттер, но и DCR также увеличивается. 

Во-вторых, DCR и вероятность остаточного импульса также испытывают взаимодействие: при снижении температуры уменьшается DCR, но вероятность остаточного импульса увеличивается. Для смягчения этого взаимодействия в детекторах IDQ применяются различные приёмы, например, принудительное гашение лавины.

Наконец, в-третьих, в характеристиках присутствует компромисс вероятности остаточного импульса и мёртвого времени фотодетектора (рис. 2).

Рисунок 2 – Компромисс между квантовой эффективностью, частотой темновых отсчётов и джиттером

В конечном итоге подбор компромиссов между характеристиками открывает широкие возможности по адаптации работы системы КРК под различные сценарии развертывания.

В продуктовой линейке ID Quantique присутствуют несколько моделей детекторов InGaAs, предназначенных для телекоммуникационных длин волн и совместимых с системой Clavis XGR. 

Популярностью пользуется ID Qube – компактный и экономичный модуль с лёгким управлением параметрами через графический интерфейс или с помощью командной строки (рис. 3а). Так, например, квантовая эффективность варьируется в диапазоне от 10% до 35%, мёртвое время – от 100 нс до 80 мкс. Характерным значением DCR для ID Qube является 400 имп/с при эффективности 10%.

Рисунок 3 – Лавинные однофотонные детекторы ID Quantique: (а) ID Qube, (б) ID230

Модель ID230 предлагает наилучшее отношение сигнал/шум с частотой темновых отсчётов не более 50 имп/с – результат, не имеющий аналогов среди коммерческих фотодетекторов на телекоммуникационных длинах волн (рис. 3б). Характеристики фотодиода ID230 регулируются с помощью USB-интерфейса. ID230 допускает регулировку квантовой эффективности до 25%, мёртвого времени от 2 мкс до 100 мкс и температуры диода от -50 ˚C до -90 ˚C.

Нечувствительные к поляризации SNSPD

Сверхпроводящие нанопроволочные детекторы одиночных фотонов (SNSPD) обеспечивают высокую квантовую эффективность, низкую частоту темновых отсчётов, непревзойденную точность синхронизации и малую инерционность.

Рисунок 4 – Clavis XGR с детектором ID281 Pro

Компанией IDQ разработаны поляризационно-нечувствительные сверхпроводящие детекторы ID281 и ID281 Pro, специально оптимизированные для интеграции с Clavis XGR (рис. 4) и достижения наилучшей производительности (рис. 5).

Рисунок 5 – Производительность системы КРК  Clavis XGR при использовании ID281 как внешних детекторов: скорость передачи секретного ключа 400 кбит/с при 12 дБ и динамический диапазон не менее 40 дБ

Детекторы ID281 и ID281 Pro поддерживают одновременное подключение до 5 приёмных модулей Clavis XGR, как показано на рисунке 6. При этом центральный узел на основе ID281 Pro будет иметь высоту всего 23U вместе с компрессором и вакуумным насосом (на рисунке не показаны).

Рисунок 6– Топология формы звезды с ID 281 Pro в центральном узле и каналами связи до 200 км каждый

Стандартные SNSPD с контролем поляризации

Контроль поляризации при использовании SNSPD может принести дополнительную выгоду, например, увеличить динамический диапазон до 50 дБ. Подобные решения реализуются под заказ на базе стандартных SNSPD ID Quantique.

Компания INSCIENCE – поставщик оборудования и научных решений IDQuantique для регистрации одиночных фотонов в области квантовых коммуникаций.