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Jul 10, 2023

Détecteur

npj Quantum Information volume 7, Numéro d'article : 40 (2021) Citer cet article Cet article a été mis à jour La distribution de clés quantiques (QKD) peut grandement bénéficier de l'intégration photonique, qui permet

npj Quantum Information volume 7, Numéro d'article : 40 (2021) Citer cet article

Cet article a été mis à jour

La distribution de clés quantiques (QKD) peut grandement bénéficier de l'intégration photonique, qui permet de mettre en œuvre des circuits photoniques à faible perte, sans alignement et évolutifs. Dans le même temps, les détecteurs supraconducteurs à photons uniques à nanofils (SNSPD) constituent une technologie de détection idéale pour le QKD en raison de leur rendement élevé, de leur faible taux de comptage d’obscurité et de leur faible gigue. Nous présentons une puce réceptrice QKD dotée de tous les circuits photoniques nécessaires à différents protocoles temporels, y compris les détecteurs à photon unique. En utilisant des SNSPD intégrés au guide d'ondes, nous obtenons de faibles temps morts ainsi que de faibles taux de comptage d'obscurité et démontrons une expérience QKD à une fréquence d'horloge de 2,6 GHz, produisant des débits de clé secrète de 2,5 Mbit/s pour de faibles atténuations de canal de 2,5 dB sans saturation du détecteur. Grâce aux coupleurs polymères 3D à large bande, la puce réceptrice peut fonctionner sur une large plage de longueurs d'onde dans la bande des télécommunications, ouvrant ainsi la voie à des implémentations de multiplexage par répartition en longueur d'onde hautement parallélisées.

Le cryptage constitue la base d'une communication sécurisée et prend de plus en plus d'importance dans la société numérique d'aujourd'hui. Dans le même temps, les progrès récents dans le domaine de l'informatique quantique1,2 et les algorithmes quantiques connus de longue date tels que l'algorithme de Shor3 menacent l'intégrité des algorithmes classiques largement répandus pour la cryptographie asymétrique4. La distribution quantique de clés (QKD) a été proposée comme une solution prometteuse en permettant de générer un secret partagé entre deux parties, Alice et Bob, d'une manière dont la sécurité est prouvée, même en présence d'ordinateurs quantiques5,6. Associé à des systèmes de chiffrement théoriquement sécurisés tels que le tampon à usage unique7, il constitue un moyen de chiffrement prometteur. Plusieurs schémas ont été démontrés expérimentalement, mais afin d'être largement applicables, des systèmes plus rapides et plus évolutifs offrant des taux de clé secrète plus élevés que ceux actuellement disponibles sont souhaitables.

Pour réaliser des systèmes QKD ultrarapides et hautement évolutifs, l'intégration photonique est cruciale afin de surmonter les limitations d'évolutivité et de stabilité présentes dans les systèmes optiques de masse. Alors que les implémentations de QKD sur puce ont été démontrées dans le passé pour le (CV-)QKD8 à variable continue et également pour le (DV-)QKD9 à variable discrète9,10,11,12,13,14, l'intégration de composants hautes performances les détecteurs à photon unique (SPD) dans le cas du DV-QKD restent un défi.

Le choix de la technologie SPD utilisée a un impact décisif sur les performances du système DV-QKD global. Les photodiodes à avalanche (APD) sont couramment utilisées, mais elles souffrent de taux de comptage d'obscurité élevés (ce qui nécessite de les faire fonctionner en mode fermé) et de temps morts de détecteur importants15 aux longueurs d'onde des télécommunications. Cela restreint fortement les débits de clé secrète, en particulier pour les liaisons à faible distance pour des fréquences d'horloge élevées16 lorsqu'elles fonctionnent à ces longueurs d'onde, ce qui est avantageux en raison de leur utilisation répandue dans les réseaux de fibre existants.

Au cours des dernières années, les détecteurs à photons uniques à nanofils supraconducteurs (SNSPD) sont apparus comme une technologie de détection supérieure15,17, avec des efficacités de détection de plus de 90 %18, de faibles taux de comptage d'obscurité <1 cps18, une gigue temporelle <3 ps19 et taux de comptage élevés dans la gamme GHz20. En raison de leurs performances, ils ont de nombreuses applications dans le domaine de l’information quantique21 et ont trouvé leur place dans de nombreuses expériences QKD22,23,24,25,26. Cependant, comme c'est le cas avec les APD, l'intégration avec le reste du circuit photonique n'est pas facilement possible et la lumière doit donc être couplée hors de la puce dans une fibre avant d'être couplée au détecteur, qui (dans le cas des SNSPD) ) réside à l'intérieur d'un cryostat à basse température.

Nous surmontons ces problèmes en employant des SNSPD intégrés au guide d'ondes et en les combinant avec le circuit photonique complet nécessaire pour le côté récepteur de la configuration QKD sur une seule puce en nitrure de silicium (Si3N4). Ainsi, nous conservons les avantages des détecteurs à nanofils supraconducteurs hautes performances tout en éliminant le besoin d’une interface séparée entre l’installation de mesure et les détecteurs. En utilisant des SNSPD intégrés au guide d'ondes, nous bénéficions également d'avantages supplémentaires par rapport aux SNSPD traditionnels, tels que des temps morts de détecteur plus courts17 en raison des géométries de nanofils plus courtes. De plus, en raison de l'intégration monolithique du circuit photonique, du contrôle précis de la température et de la dépendance négligeable de l'indice de réfraction à la température du Si3N4 à basse température, le circuit récepteur est interférométriquement stable, comme souhaité pour les protocoles QKD utilisant le codage temporel.