Боросиликатное стекло открыло путь к практической квантовой криптографии

С развитием квантовых компьютеров традиционные методы шифрования постепенно теряют надежность. Одним из наиболее перспективных решений стала квантовая криптография, которая обеспечивает безопасность данных не через сложность вычислений, а опираясь на законы физики. Однако для реального применения квантовой связи необходимы компактные и точные устройства, способные надежно считывать слабые квантовые сигналы света.Исследователи из Падуанского университета, Миланского политехнического университета и Института фотоники и нанотехнологий CNR предложили инновационный подход, используя неожиданное для фотоники материал — боросиликатное стекло. В статье, опубликованной в журнале Advanced Photonics, они описали высокопроизводительный квантовый когерентный приемник, встроенный непосредственно в стекло с помощью фемтосекундной лазерной записи.

Для обработки квантовой информации с непрерывными переменными (CV), используемой в квантовом распределении ключей (CV-QKD) и генерации случайных чисел (CV-QRNG), необходим приемник, способный измерять амплитуду и фазу световых волн. В современных системах интегральные когерентные приемники чаще всего создаются из кремния. Он обеспечивает высокую интеграцию, но чувствителен к поляризации и характеризуется большими оптическими потерями, что снижает надежность квантовых систем.

Боросиликатное стекло обладает рядом преимуществ:

- нечувствительность к поляризации,
- высокая стабильность,
- возможность создания трехмерных волноводов с минимальными потерями сигнала.

Фемтосекундная лазерная микрообработка позволяет формировать световодные пути прямо внутри стекла, создавая компактные фотонные схемы без сложностей полупроводникового производства. Команда создала полностью перестраиваемый гетеродинный приемник, ключевой для CV-QKD и CV-QRNG, с размещением оптической схемы прямо в боросиликатном стекле. Микросхема включает:

- фиксированные и регулируемые разделители лучей,
- термооптические фазовращатели для точного управления,
- трехмерные пересечения волноводов,
- поляризационно-независимые направленные ответвители.

Эти элементы обеспечивают контролируемое взаимодействие квантового сигнала с опорным пучком и позволяют одновременно измерять две сопряженные квадратуры.

Устройство демонстрирует:

- низкие вносимые потери (~1 дБ),
- работу, не зависящую от поляризации,
- подавление синфазного сигнала выше 73 дБ, что снижает классический шум,
- стабильное соотношение сигнал/шум в течение как минимум 8 часов.

Эти показатели соответствуют или превосходят возможности многих кремниевых фотонных приемников.

Высокая стабильность и низкие потери позволяют одному устройству выполнять сразу несколько функций. При использовании как гетеродинного детектора чип позволил создать генератор случайных чисел, независимый от источника и устройства, с рекордной безопасной скоростью 42,7 Гбит/с.

Тот же чип применялся для протокола CV-QKD на основе QPSK. В смоделированной оптоволоконной линии длиной 9,3 км система достигла скорости генерации секретного ключа 3,2 Мбит/с. Эти результаты показывают, что стеклянная платформа поддерживает усовершенствованные протоколы квантовой связи без ограничений кремниевых систем.

Интегрированная фотоника на основе стекла обладает рядом преимуществ для реальных приложений:

- экологическая стабильность и устойчивость к температуре и механическим воздействиям,
- низкие потери при соединении с телекоммуникационными волокнами,
- гибкость трехмерного проектирования схем,
- масштабируемость и экономичность производства.

Эти свойства делают стеклянные фотонные интерфейсы надежными и долговечными, открывая путь к практическому использованию в квантовой связи и даже в космических системах.