高性能光子探测器对抗量子计算时代的间谍

我们如何打击数据盗窃，这是社会的一个现实问题?量子物理学有解决方案。它的理论使在单个光粒子(光子)中编码信息(量子比特)并以高度安全的方式在光纤中循环它们成为可能。然而，这种电信技术的广泛使用尤其受到单光子探测器性能的阻碍。

日内瓦大学(UNIGE)的一个团队与IDQuantique公司一起，成功地将他们的速度提高了20倍。这项发表在《自然光子学》杂志上的创新使得在量子密钥分发方面实现前所未有的性能成为可能。

买火车票、叫出租车、叫外卖：这些都是每天通过移动应用程序进行的交易。这些基于涉及用户和银行之间秘密信息交换的支付系统。为此，银行生成一个公钥和一个保密的私钥，公钥传输给他们的客户。使用公钥，用户可以修改信息，使其不可读并发送给银行。有了私钥，银行就可以解密了。

该系统现在受到量子计算机的威力的威胁。为了解决这个问题，量子密码学——或量子密钥分发(QKD)——是最好的选择。它允许双方生成共享密钥并以高度安全的方式通过光纤传输它们。这是因为量子力学定律表明测量会影响被测系统的状态。因此，如果间谍试图通过测量光子来窃取密钥，信息将立即被更改并显示拦截。

当前限制

该系统应用的一个限制是用于接收信息的单光子探测器的速度。事实上，在每次检测之后，检测器必须恢复大约30纳秒，这将密钥的吞吐量限制在每秒10兆比特左右。由UNIGE理学院应用物理系副教授HugoZbinden领导的UNIGE团队通过开发性能更好的探测器成功克服了这一限制。这项工作是与来自IDQuantique公司的FélixBussières团队合作完成的，IDQuantique是该大学的一个衍生公司。

“目前，我们应用中最快的探测器是超导纳米线单光子探测器，”UNIGE理学院应用物理系前博士生、该研究的第一作者FadriGrünenfelder解释说。“这些设备包含一根冷却至-272°C的微型超导线。如果单个光子击中它，它就会升温并在短时间内停止超导，从而产生可检测的电信号。当导线再次变冷时，另一个可以检测到光子。”

记录性能

通过将不是一根而是十四根纳米线集成到他们的检测器中，研究人员能够实现创纪录的检测率。“我们的探测器计数速度比单线设备快20倍，”HugoZbinden解释说。“如果两个光子在短时间内到达这些新探测器，它们可以接触不同的电线并同时被检测到。使用单根电线这是不可能的。”使用的纳米线也更短，这有助于减少它们的恢复时间。

使用这些传感器，科学家能够在10公里的光纤电缆上以每秒64兆位的速率生成密钥。这个速率足够高以确保例如与多个参与者的视频会议。在这个距离上，这是当前技术性能的五倍。作为奖励，这些新探测器的生产并不比市场上现有的设备复杂。

这些结果为超安全数据传输开辟了新前景，这对银行、医疗保健系统、政府和军队至关重要。它们还可以应用于以光检测为关键要素的许多其他领域，例如天文学和医学成像。