QKD HRDP
Quantum Key Distribution High-Rate Detector Predevelopment
W TRAKCIE REALIZACJIŚwiatłowodowa kwantowa dystrybucja klucza działa tylko na kilkaset kilometrów, dlatego coraz większe znaczenie zyskuje komunikacja satelitarna, gdzie straty sygnału są minimalne. Celem projektu QKD HRDP jest stworzenie prototypu detektora pojedynczych fotonów o wysokiej przepustowości i sprawności kwantowej, co pozwoli znacząco zwiększyć szybkość generowania tajnego klucza.
Kontekst:
Światłowody w telekomunikacji mają swoje ograniczenia. Sygnał słabnie z każdym kilometrem, a w systemach kwantowej dystrybucji klucza (QKD) nie da się go wzmocnić – a to dlatego, że pojedynczych fotonów, zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, nie można kopiować. W praktyce oznacza to, że światłowodowa QKD działa tylko na odległościach rzędu kilkuset kilometrów.
Dlatego wykorzystanie satelitów staje się atrakcyjną alternatywą. W łączności satelitarnej sygnał przemieszcza się przez próżnię, gdzie straty są minimalne. Atmosfera to jedynie cienka warstwa (około 10 km), więc jej wpływ na transmisję jest stosunkowo niewielki. Efekt? Możliwa bezpieczna komunikacja kwantowa na duże odległości.
W komunikacji optycznej między satelitą a Ziemią pojawiają się jednak pewne trudności, które zwiększają straty sygnału – m.in. dyfrakcja wiązki, niedokładne ustawienie anten, turbulencje w atmosferze oraz absorpcja światła. Dlatego satelitarna QKD potrzebuje nowoczesnych systemów śledzenia i ustawiania wiązki (APT), które dokładnie i szybko utrzymują stabilne połączenie.
Do przesyłania danych potrzebne są też detektory pojedynczych fotonów – wydajne, szybkie, z niskim tłem szumów, dokładne czasowo i działające w wąskim paśmie. Zwiększenie liniowo przepustowości detektorów podniesie liczbę dystrybuowanych kluczy, co można osiągnąć dzięki poprawie rozdzielczości czasowej detektorów do poziomu gigaherców.
Zadanie w projekcie QKD HRDP:
Głównym celem projektu jest więc stworzenie prototypu odbiornika pojedynczych fotonów, który zapewnia wysoką przepustowość (>2 GHz) oraz wysoką sprawność kwantową (>90%) w paśmie 800 nm lub 1550 nm. Ma być w pełni oparty na technologii europejskiej. Spełnienie tych wymagań pozwoli usunąć dotychczasowe wąskie gardła w systemach QKD, znacząco zwiększając szybkość generowania tajnego klucza oraz optymalizując koszty. Celem jest przewyższenie obecnych, eksperymentalnie demonstrowanych wartości (które wynoszą do 20 kb/s).
Wykorzystana technologia opiera się na SSPD (nadprzewodzących detektorach pojedynczych fotonów), które obecnie oferują najlepsze parametry spośród dostępnych rozwiązań. Projekt korzysta z wieloletniego doświadczenia w badaniach nad nadprzewodzącymi nanodrutami na Technische Universität München oraz Munich Quantum Instruments, a także z know-how Creotech Quantum w zakresie elektroniki i systemów odczytu.
Główne elementy prototypu detektora:
• kriostat utrzymujący temperaturę <4 K, okablowanie RF, uchwyty próbek i inne niezbędne komponenty,
• struktura czujnika z nanodrutów z uchwytem, sprzęganiem światłowodu i połączeniami elektrycznymi,
• wzmacniacz niskoszumowy (cryo-LNA),
• elektronika sterująca całym systemem, działająca w temperaturze pokojowej,
• oprogramowanie całego systemu, gotowe do obsługi przez użytkownika.
Creotech Quantum zapewnia elektronikę, mechatronikę oraz software w tym projekcie.
Rozwiązania inżynieryjne opracowane w projekcie mają potencjał komercjalizacji w systemach do kwantowej dystrybucji klucza, sektorze kosmicznym i telekomunikacji.
Konsorcjanci:
Creotech Quantum (lider konsorcjum), Munich Quantum Instruments (MQI)
Finansowanie:
Wartość całego projektu:
799 128,07 euro
Kwota dofinansowania projektu:
399 734,58 euro
Czas trwania projektu:
03.2023-06.2026