물리학자들은 유리를 강력한 양자 보안 장치로 바꾸었습니다.

파도바 대학, Politecnico di Milano, CNR 포토닉스 및 나노기술 연구소의 연구원들은 예상치 못한 재료인 붕규산 유리를 사용한 새로운 접근 방식을 시연했습니다. 보고된 날짜 고급 포토닉스그들의 연구는 펨토초 레이저 기록을 사용하여 유리 내부에 직접 구축된 고성능 양자 응집성 수신기를 설명합니다. 이 방법은 낮은 광 손실, 안정적인 성능 및 기존 광섬유 시스템과의 호환성을 제공하며, 이 모든 것은 실험실 실험을 넘어 양자 기술을 발전시키는 데 중요합니다.

양자소자에서 유리가 실리콘보다 성능이 뛰어난 이유

양자키분배(QKD)와 양자난수생성(QRNG)에 사용되는 연속변수(CV) 양자정보처리는 광파의 진폭과 위상을 측정하는 데 달려 있다. 이를 위해 코히어런트 수신기는 약한 양자 신호를 더 강한 참조 빔과 결합하고 이들이 어떻게 간섭하는지 분석합니다.

현재 대부분의 통합 수신기는 실리콘으로 만들어집니다. 실리콘은 널리 사용되고 고집적도를 지원하지만 편광에 민감하고 광학 손실이 더 높은 경향이 있어 양자 시스템의 성능과 신뢰성을 제한할 수 있습니다.

유리는 여러 가지 장점을 제공합니다. 자연적으로 편광에 둔감하고 안정성이 높으며 신호 손실을 최소화하면서 도파관을 3차원으로 작성할 수 있습니다. 연구원들은 펨토초 레이저 마이크로머시닝을 사용하여 재료 내부에 직접 광 유도 경로를 만들어 반도체 제조의 복잡성 없이 소형 광자 회로를 형성할 수 있습니다.

레이저로 기록한 양자 수신기 내부

팀은 붕규산 유리 내부에 직접 광학 회로를 작성하여 CV-QKD 및 CV-QRNG의 핵심 구성 요소인 완전히 조정 가능한 헤테로다인 수신기를 만들었습니다. 칩에는 다음이 포함됩니다.

• 고정 및 조정 가능한 빔 스플리터
• 정밀한 전기 제어를 위한 열광학 위상 시프터
• 3차원 도파관 교차점
• 편파와 무관한 방향성 커플러

이러한 기능을 통해 양자 신호와 참조 빔이 제어된 방식으로 상호 작용하여 두 개의 공액 직교 위상을 동시에 측정할 수 있습니다. 장치에는 다음 사항도 표시됩니다.

• 매우 낮은 삽입 손실(약 1dB)
• 편파와 무관한 작동
• 73dB 이상의 공통 모드 제거율로 클래식 잡음이 강력하게 억제됨을 나타냅니다.
• 최소 8시간 동안 안정적인 신호 대 잡음비 성능

전반적으로 이러한 결과는 많은 실리콘 기반 광자 수신기의 성능과 일치하거나 그 이상입니다.

하나의 칩, 두 개의 양자 기술

이 장치는 낮은 손실, 조정 가능성 및 안정성을 결합하므로 다른 하드웨어 없이도 여러 양자 통신 작업을 처리할 수 있습니다. 헤테로다인 검출기로 사용하면 소스 장치 독립적인 QRNG 시스템이 활성화됩니다. 즉, 들어오는 광 신호를 신뢰할 수 없는 경우에도 보안이 유지됩니다. 이 칩은 42.7Gbit/s의 안전한 랜덤 비트 생성 속도를 달성하여 이러한 유형의 시스템에 대한 기록을 세웠습니다.

정보가 양자 상태의 4점 집합으로 인코딩되는 QPSK 기반 CV-QKD 프로토콜에도 동일한 칩이 사용되었습니다. 시뮬레이션된 9.3km 광섬유 링크에서 시스템은 3.2Mbit/s의 비밀 키 속도에 도달했습니다. 이러한 결과는 유리 기반 광자 프런트 엔드가 실리콘 플랫폼에서 볼 수 있는 단점 없이 고급 CV-QKD를 지원할 수 있음을 보여줍니다.

Glass Photonics가 실제 사용을 향해 나아가고 있습니다.

강력한 성능 외에도 이 연구는 통합 양자 포토닉스에 유리를 사용하는 데 따른 몇 가지 실질적인 이점을 강조합니다.

• 환경 안정성: 유리는 불활성이며 온도 및 기계적 변화에 강합니다.
• 저손실 파이버 커플링: 도파관은 표준 통신 파이버 크기와 거의 일치합니다.
• 3D 설계 유연성: 회로에는 추가 신호 손실 없이 교차점과 복잡한 레이아웃이 포함될 수 있습니다.
• 확장성 및 비용 효율성: 펨토초 레이저 기록을 통해 값비싼 반도체 제조 없이 신속한 프로토타이핑이 가능합니다.

이러한 품질은 실제 배포와 우주 기반 양자 통신 시스템에서의 잠재적인 사용에 중요한 장기적인 신뢰성과 내구성을 지원합니다. 연구원들은 유리 기반 포토닉스가 실험 설정과 실제 양자 네트워크 사이의 격차를 줄이는 데 도움이 될 수 있다고 지적합니다.

확장 가능한 양자 통신 네트워크를 향하여

이러한 장점을 활용하여 팀은 단일 칩에서 두 가지 주요 애플리케이션, 즉 42.7Gbit/s의 기록적인 보안 생성 속도를 갖춘 소스 장치 독립적 QRNG와 시뮬레이션된 9.3km 파이버 링크에서 3.2Mbit/s 보안 키 속도를 달성하는 QPSK 기반 CV-QKD 시스템을 시연했습니다.

이러한 결과 외에도 유리 기반 통합 포토닉스가 미래 양자 기술을 위한 내구성 있고 다재다능한 플랫폼이라는 점을 지적합니다. Glass는 안정적이고 비용 효율적이며 열악한 환경에 잘 견디므로 확장 가능한 배포에 매우 적합합니다. 이 접근 방식은 양자 통신을 제어된 실험실 설정에서 실제 인프라로 전환하는 데 도움이 될 수 있으며 글로벌 양자 네트워크 구축을 향한 중요한 단계를 표시합니다.