Квантовая фотоника и защищенная связь

Квантовая фотоника и защищенная связь

Выпуск 24(6723) от 10 декабря 2020 г.
РУБРИКА: СРЕДСТВА СВЯЗИ

Эра квантовых технологий приближается. Ученые теперь способны не только считывать состояния отдельных квантов, но и активно возбуждать и даже манипулировать ими. Это открывает совершенно новые возможности в области связи, моделирования, вычислительной техники и сенсорной техники. Однако в настоящее время для решения значимых задач с помощью кубитов все еще требуются очень сложные и трудоемкие лабораторные установки.

Исследователи из Института надежности и микроинтеграции Общества Фраунгофера (IZM, Берлин, ФРГ) сделали шаг от фундаментальных исследований к промышленному и коммерческому применению квантовых технологий. Для того чтобы получить рентабельные приборы, они использовали технические решения из области телекоммуникаций. В частности, протоколы и инфраструктура для их передачи и манипулирования квантами уже существуют в виде специализированных печатных плат.

Исследователи видят большие возможности с точки зрения решения задач квантовой связи в использовании оптических волноводов, встроенных в стекло. Несомненное преимущество стеклянных волокон перед полупроводниковыми состоит в том, что стекло прозрачно для излучения в ближней ИК-области спектра (30–3000 мкм), которая используются в квантовых технологиях. Кроме того, стекло как оптический волновод характеризуется значительно меньшими потерями, обеспечивает меньшее остаточное рассеяние света, более экономично в производстве и может быть переработано.

Использование схем на основе стекла в сочетании с квантовой фотоникой позволяет создавать защищенные от прослушивания каналы связи, что необходимо в банковской сфере, для обеспечения общественной безопасности и для удовлетворения спроса на суверенную защиту данных.

Суть квантово-фотонного шифрования заключается в том, что состояние фотона неизбежно изменяется после его считывания. Таким образом, принимающая сторона может определить, была ли информация перехвачена, прочитана или воспроизведена по пути следования. Обнаружить этот перехват в канале связи и тем самым предотвратить утечку данных и хакерские атаки с помощью классических методов электронного шифрования невозможно.

В квантовых сенсорных технологиях специалисты используют тот факт, что кубиты могут перекрываться подобно волнам. Полученная квантово-механическая фаза обладает высокой чувствительностью, что позволяет измерять даже отдельные атомы. Таким образом, например, создаются датчики гравитационного и магнитного полей, обладающие ранее недостижимым уровнем точности по сравнению с классическими датчиками. Кроме того, появляется возможность проводить абсолютные измерения, что означает, что датчики не нуждаются в калибровке относительно некоего эталонного значения.

Чтобы гарантировать защиту высокоточных датчиков от нежелательных воздействий окружающей среды, исследователи разрабатывают изолирующие вакуумные камеры на стекле. Такой подход, помимо прочего, позволит использовать квантовые датчики вне лабораторий.

Разработчики утверждают, что их вакуумные камеры на стекле позволяют использовать квантово-механические датчики там, где раньше это было немыслимо – ​например, в качестве биосенсоров. Измерение отдельных атомов, спектры которых реагируют на магнитные поля, дает возможность использовать свет для получения информации о магнитных полях сердца или мозга, что позволяет дополнить изображения, полученные с помощью компьютерной томографии или магнитно-резонансной томографии. Исследователи пытаются миниатюризировать сенсорные системы до такой степени, чтобы пациенты даже могли свободно передвигаться во время обследования. Квантовые датчики также способны открыть новую страницу в исследованиях пищевых продуктов и медицинских технологиях, поскольку даже при чрезвычайно низких концентрациях вирусов или бактерий в растворе появляется возможность проводить измерения с точностью и чувствительностью, лежащими далеко за пределами, задаваемыми обычными стандартами.

Однако планы исследователей выходят за рамки разработки отдельных изделий: они намерены создать универсальную платформу (см. рисунок), которая позволит быстро и в соответствии с требованиями заказчика конструировать квантовые фотонные устройства. С этой целью волноводы диаметром в несколько микрон встраиваются в стеклянную подложку, чтобы направлять свет непосредственно туда, где кванты могут быть возбуждены и считаны. Кроме того, в стеклянную подложку интегрируются металлические структуры для передачи электрических сигналов. Таким образом становится возможно создать платформу, объединяющую оптическую и электрическую информацию на квантовом уровне – ​электрооптический эквивалент знакомых печатных плат, используемых в электронике.



Источник: Fraunhofer IZM

Опытная универсальная платформа с интегрированными оптическими стеклянными волноводами, созданная специалистами IZM, позволяет быстро миниатюризировать решения для защищенной квантовой связи и высокоточные квантовые датчики (в соответствии со спецификациями заказчика).

Чтобы приблизиться к намеченной цели, исследователи из группы корпусирования квантовой фотоники оптимизировали свои технологии до такой степени, что они теперь подходят для квантовых приложений. При этом открывается перспектива промышленного производства квантовых оптических систем, и в ряде проектов исследователи хотят добиться индустриального воплощения разрабатываемых систем.


Hammerschmidt Christoph. Fraunhofer Researchers Use Quantum Photonics for Tap-Proof Communications. EE News Europe, November 25, 2020: https://www.eenewseurope.com/news/fraunhofer-researchers-use-quantum-photonics-tap-proof-communications


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 20(6744) от 14 октября 2021 г. г.
Выпуск 18(6742) от 16 сентября 2021 г. г.