Une puce de silicium supraconductrice est utilisée comme serveur relais non fiable pour une communication quantique sécurisée. En exploitant la caractéristique unique à faible temps mort des détecteurs supraconducteurs à photons uniques intégrés au guide d’ondes (fils rouges avec une forme en épingle à cheveux au milieu), des mesures optimales de l’état de Bell codées par tranche de temps (représentées par des courbes en forme d’onde bleues et grises entre quatre photons, indiqués par des boules rouges) sont réalisés. Ceux-ci améliorent à leur tour le taux de clé sécurisé de la communication quantique. Crédit : MaLab, Université de Nanjing
Les chercheurs résolvent un défi de longue date en optique quantique : la mesure optimale de l’état de Bell des qubits codés dans le temps, pour améliorer le taux de clé de la communication quantique sécurisée.
La photonique quantique intégrée (IQP) est une plate-forme prometteuse pour réaliser un traitement de l’information quantique évolutif et pratique. Jusqu’à présent, la plupart des démonstrations avec IQP se sont concentrées sur l’amélioration de la stabilité, de la qualité et de la complexité des expériences pour les plates-formes traditionnelles basées sur des éléments en vrac et à fibre optique. Une question plus exigeante est la suivante : « existe-t-il des expériences possibles avec l’IQP qui sont impossibles avec la technologie traditionnelle ? »
Cette question reçoit une réponse affirmative d’une équipe dirigée conjointement par Xiao-Song Ma et Labao Zhang de l’Université de Nanjing, et Xinlun Cai de l’Université Sun Yat-sen, en Chine. Comme indiqué dans Photonique avancée, l’équipe réalise une communication quantique à l’aide d’une puce basée sur la photonique sur silicium avec un détecteur de photon unique à nanofil supraconducteur (SNSPD). Les excellentes performances de cette puce leur permettent de réaliser une mesure optimale de l’état de Bell dans le temps et d’améliorer considérablement le taux de clé dans la communication quantique.
Le détecteur de photon unique est un élément clé pour la distribution de clés quantiques (QKD) et hautement souhaitable pour l’intégration de puces photoniques afin de réaliser des réseaux quantiques pratiques et évolutifs. En exploitant la fonction haute vitesse unique du SNSPD intégré au guide d’ondes optique, le temps mort de la détection de photons uniques est réduit de plus d’un ordre de grandeur par rapport au SNSPD traditionnel à incidence normale. Cela permet à son tour à l’équipe de résoudre l’un des défis de longue date de l’optique quantique : la mesure optimale de l’état de Bell des qubits codés dans le temps.
Cette avancée est importante non seulement pour le domaine de l’optique quantique d’un point de vue fondamental, mais aussi pour les communications quantiques d’un point de vue applicatif. L’équipe utilise les avantages uniques de la plate-forme photonique au silicium supraconductrice intégrée de manière hétérogène pour réaliser un serveur pour la distribution de clés quantiques indépendantes des appareils de mesure (MDI-QKD). Cela supprime efficacement toutes les attaques possibles par canal latéral de détecteur et améliore ainsi considérablement la sécurité de la cryptographie quantique. Combinée à une technique de multiplexage temporel, la méthode obtient une augmentation d’ordre de grandeur du taux de clé MDI-QKD.
(a) Schéma de la configuration de l’expérience. Une puce photonique au silicium supraconductrice qui effectue des mesures optimales de l’état de Bell est utilisée comme serveur pour MDI-QKD, ce qui permet à Alice et Bob d’échanger des clés sécurisées sans attaques par canal latéral de détecteur. (b) Les interférences destructives et constructives dans les coïncidences comptent lorsque Alice et Bob envoient les mêmes états (points bleus) ou des états différents (points rouges). (c) Taux clé sécurisé sous différentes pertes. Crédit : Zheng et al., doi 10.1117/1.AP.3.5.055002
En exploitant les avantages de ce système intégré de manière hétérogène, l’équipe obtient un taux de clé sécurisé élevé avec une fréquence d’horloge de 125 MHz, ce qui est comparable aux résultats expérimentaux de pointe de MDI-QKD avec une fréquence d’horloge de GHz. « Contrairement aux expériences MDI-QKD à fréquence d’horloge GHz, notre système ne nécessite pas de technique de verrouillage d’injection compliquée, ce qui réduit considérablement la complexité de l’émetteur », explique Xiaodong Zheng, doctorant dans le groupe Ma et premier auteur de la Photonique avancée papier.
«Ce travail montre que les puces photoniques quantiques intégrées offrent non seulement une voie vers la miniaturisation, mais améliorent également considérablement les performances du système par rapport aux plates-formes traditionnelles. Combiné avec des émetteurs QKD intégrés, un réseau quantique métropolitain entièrement basé sur des puces, évolutif et à haut débit devrait être réalisé dans un proche avenir », a déclaré Ma.
Référence : « Plateforme photonique au silicium supraconductrice à intégration hétérogène pour la distribution de clés quantiques indépendantes des appareils de mesure » par Xiaodong Zheng, Peiyu Zhang, Renyou Ge, Liangliang Lu, Guanglong He, Qi Chen, Fangchao Qu, LaBao Zhang, Xinlun Cai, Yanqing Lu, Shining N. Zhu, Peiheng Wu, Xiaosong Ma, 30 octobre 2021, Photonique avancée.
DOI : 10.1117 / 1.AP.3.5.055002
