Technologie de distribution de clé quantique rétractable vers une puce semi-conductrice

Toshiba Europe Ltd a annoncé aujourd’hui avoir développé le premier système de distribution de clés quantiques (QKD) sur puce au monde. Cette avancée permettra la fabrication de masse de la technologie de sécurité quantique, apportant son application à un éventail beaucoup plus large de scénarios, y compris aux solutions Internet des objets (IoT).

QKD répond à la demande de cryptographie qui restera à l’abri des attaques des supercalculateurs de demain. En particulier, un ordinateur quantique à grande échelle sera capable de résoudre efficacement les problèmes mathématiques difficiles qui sont à la base de la cryptographie à clé publique largement utilisée aujourd’hui pour les communications sécurisées et le commerce électronique. En revanche, les protocoles utilisés pour la cryptographie quantique peuvent être prouvés sûrs dès les premiers principes et ne seront pas vulnérables aux attaques d’un ordinateur quantique, ou même de tout autre ordinateur à l’avenir.

Le marché QKD devrait atteindre environ 20 milliards de dollars dans le monde au cours de l’exercice 2035. De grands réseaux de fibres à sécurité quantique sont actuellement en construction en Europe et en Asie du Sud-Est, et il est prévu de lancer des satellites qui peuvent étendre les réseaux à un escalader. En octobre 2020, Toshiba a lancé deux produits pour QKD à base de fibre, qui sont basés sur des composants optiques discrets. En collaboration avec les partenaires du projet, Toshiba a mis en place des réseaux métropolitains à sécurité quantique et des liaisons dorsales en fibre optique longue distance au Royaume-Uni, en Europe, aux États-Unis et au Japon.

Avancées de fabrication

Pour que la cryptographie quantique devienne aussi omniprésente que la cryptographie algorithmique que nous utilisons aujourd’hui, il est important que la taille, le poids et la consommation d’énergie soient encore réduits. Cela est particulièrement vrai pour étendre QKD et les générateurs de nombres aléatoires quantiques (QRNG) dans de nouveaux domaines tels que la connexion du dernier kilomètre au client ou à l’IoT. Le développement de solutions à base de puces est essentiel pour permettre des applications grand public, qui feront partie intégrante de la réalisation d’une économie prête pour le quantum.

Toshiba a développé des techniques pour réduire les circuits optiques utilisés pour QKD et QRNG en minuscules puces semi-conductrices. Ceux-ci sont non seulement beaucoup plus petits et plus légers que leurs homologues à fibre optique, mais consomment également moins d’énergie. Plus important encore, beaucoup peuvent être fabriqués en parallèle sur la même plaquette semi-conductrice en utilisant des techniques standard utilisées dans l’industrie des semi-conducteurs, ce qui leur permet d’être fabriqués en beaucoup plus grand nombre. Par exemple, les puces émettrices quantiques développées par Toshiba ne mesurent que 2×6 mm, ce qui permet de produire plusieurs centaines de puces simultanément sur une plaquette.

Andrew Shields, responsable de la technologie quantique chez Toshiba Europe, a déclaré : « L’intégration photonique nous permettra de fabriquer des dispositifs de sécurité quantique en volume de manière hautement reproductible. Elle permettra la production de produits quantiques dans un facteur de forme plus petit, et déployer QKD dans une plus grande partie du réseau de télécommunications et de données. »

Taro Shimada, Corporate Senior Vice President et Chief Digital Officer de Toshiba Corporation, commente : « Toshiba investit dans la R&D sur la technologie quantique au Royaume-Uni depuis plus de deux décennies. Cette dernière avancée est très importante, car elle nous permettra de fabriquer et de livrer des QKD des quantités beaucoup plus importantes. C’est une étape importante vers notre vision de construire une plate-forme pour des communications à sécurité quantique basée sur des dispositifs de sécurité quantique omniprésents.

Les détails de l’avancement sont publiés dans le journal Photonique de la nature.

Résumé technique

Les systèmes QKD comprennent généralement un circuit à fibre optique complexe, intégrant des composants discrets, tels que des lasers, des modulateurs électro-optiques, des séparateurs de faisceau et des coupleurs de fibre. Comme ces composants sont relativement encombrants et coûteux, le but de ce travail était de développer un système QKD dans lequel le circuit à fibre optique et les dispositifs sont écrits dans des puces semi-conductrices à l’échelle millimétrique.

Toshiba a développé le premier prototype QKD complet dans lequel des puces photoniques quantiques de différentes fonctionnalités sont déployées. Des bits aléatoires pour préparer et mesurer les qubits sont produits dans des puces de générateur de nombres aléatoires quantiques (QRNG) et convertis en temps réel en modèles de modulation à grande vitesse pour l’émetteur (QTx) et le récepteur (QRx) QKD à puce à l’aide d’une programmation sur site. réseaux de portes (FPGA). Les photons sont détectés à l’aide de détecteurs de photons uniques à déclenchement rapide. Le tamisage, l’évaluation des statistiques photoniques, la synchronisation temporelle et la stabilisation de phase sont effectués via une liaison optique de 10 Gb/s entre les cœurs du FPGA, permettant un fonctionnement autonome sur de longues périodes de temps. Dans le cadre de la démonstration, le système de puce QKD a été interfacé avec un crypteur commercial, permettant un transfert de données sécurisé avec un débit allant jusqu’à 100 Gb/s.

Pour favoriser l’intégration dans les infrastructures de communication conventionnelles, les unités QKD sont assemblées dans des boîtiers rack 1U compacts. Les puces QRx et QTx sont emballées dans des modules C-form-factor-pluggable-2 (CFP2), un facteur de forme répandu dans les communications optiques cohérentes, pour assurer la compatibilité ascendante du système avec les générations successives de puces QKD, ce qui le rend facilement évolutif. Des modules enfichables à petit facteur de forme (SFP) 10 Gb/s prêts à l’emploi sont utilisés pour les canaux de communication publics.

Taofiq Paraiso, auteur principal du Photonique de la nature décrivant le système QKD à l’échelle de la puce, dit que « nous assistons avec les circuits intégrés photoniques à une révolution similaire à celle qui s’est produite avec les circuits électroniques. Les PIC servent en permanence des applications de plus en plus diverses. Bien sûr, les exigences pour les PIC quantiques sont plus plus strictes que pour les applications conventionnelles, mais ce travail montre qu’un système QKD entièrement déployable à base de puces est désormais réalisable, marquant la fin d’un défi important pour les technologies quantiques. and-play des appareils quantiques qui auront certainement un impact fort sur notre société. »

Fourni par Toshiba Corporation