Miért jobb az üveg a szilíciumnál?
A kvantuminformáció-feldolgozás – például a kvantumkulcs-elosztás (CV-QKD) vagy a kvantumvéletlenszám-generálás (QRNG) – alapja a fényhullámok amplitúdójának és fázisának pontos mérése. Ehhez speciális, „koherens vevő” szükséges, amely a gyenge kvantumjelet egy erős referenciafénysugárral hasonlítja össze. Jelenleg az ilyen eszközök többsége szilíciumból készül; a szilícium azonban érzékeny a polarizációra és nagyobb optikai veszteséggel működik, ami rontja a kvantumeszközök hatékonyságát. Ezzel szemben az üveg stabilabb, kevésbé érzékeny a környezeti hatásokra, és háromdimenziós optikai áramkörök írhatók bele femtoszekundumos lézertechnológiával, miközben a jelveszteség minimális marad.
Sokoldalú csip egy darab üvegből
A kutatók közvetlenül boroszilikát üvegbe írták be a teljesen hangolható heterodin vevőt, amely kvantumtitkosításhoz és véletlenszám-generáláshoz egyaránt használható. Az alkatrészek között fix és hangolható fénysugárelválasztók, elektromos vezérlésű termooptikai fázistolók, háromdimenziós hullámvezető-keresztezések és polarizációfüggetlen csatolók találhatók. Lényeges szempont, hogy a teljes rendszer rendkívül alacsony veszteséggel (1 dB), kimagasló zajcsillapítással (73 dB felett), valamint legalább 8 órán át stabilan üzemel – messze meghaladva sok szilíciumalapú vevő teljesítményét.
Egy eszköz, két kvantumtechnológia
Az üvegcsip egyszerre támogat kvantumvéletlenszám-generálást és többszörösen titkosított kommunikációt. A forrás- és eszközfüggetlen QRNG-rendszerben 42,7 Gbit/s biztonságos véletlenszám-generálási sebességet ért el – ez rekord ebben a kategóriában. A csip ugyanakkor egy QPSK-alapú CV-QKD protokollhoz is bizonyítottan alkalmas: egy szimulált 9,3 km-es optikai szálon 3,2 Mbit/s titkoskulcs-generálási sebességre volt képes, méghozzá a szilíciumalapú rendszerek problémái nélkül.
Üvegcsipek: a kvantumhálózatok jövője
A stabil teljesítmény mellett gyakorlati előnyök is jelentkeznek: az üveg ellenáll a környezeti változásoknak, a hullámvezetők tökéletesen illeszkednek a távközlési szálakhoz, a háromdimenziós kialakítás nagyfokú rugalmasságot tesz lehetővé, míg a femtoszekundumos lézeres gyártás gyors és olcsó. Ezek a tulajdonságok hosszú távú megbízhatóságot biztosítanak, akár az űrbéli kvantumkommunikációhoz is. Lényeges szempont, hogy az üvegalapú fotonika közelebb viheti a laborkísérleti eredményeket a mindennapi alkalmazásokhoz.
Globális kvantumhálózat felé haladva
Az új üvegalapú csip két nagy áttörést hoz egyetlen eszközön: rekordszintű QRNG-t (42,7 Gbit/s) és nagysebességű QKD-t (3,2 Mbit/s 9,3 km-en). Vagyis az üveg megbízhatóságával és olcsóságával lehetővé válhat a kvantumkommunikáció széles körű elterjedése, ami egy lépés a valóban biztonságos globális kvantumhálózat felé.
