Sunday, January 07, 2007

 

Some notes on single-photon for communication

1.
世界首次通信波段的单一光子发生获得成功

东京,2004年7月27日 — 东京大学先端科学技术研究中心的生产技术研究所纳电子联合研究中心(1)的荒川泰彦教授小组与株式会社富士通研究所(2)共同开发出单一光子(3)的发生检测系统,并首先在世界通信波段中的单一光子的开发中获得成功。根据此次开发的技术,被称为临界状态的密码通信手段由以往的每秒仅限于100位(以下称为bps)的量子密码通信(4)速度被一气提高到其400倍以上的高速度,其成果面可谓向量子密码通信的实用化大幅度向前迈进了一步。

此次研究开发的一部分被作为日本文部科学省IT项目予以实施。

该技术成果首先发表在7月15日发行的JJAP(Japanese Journal of Applied Physics) Express Letter上。并且,该技术的详细内容于7月26日在美国亚利桑那州召开的半导体物理国际会议(International Conference on the Physics of Semiconductors;ICPS-27)上得以发布。

此外,该技术的一部分是作为日本文部科学省的研究开发委托事业-「IT程序~世界最先进IT国家实现重点研究开发项目~」中的课题之一的「光·电子装置技术的开发项目」予以研发的,同时,得到了独立行政法人物质·材料研究机构-纳材料研究所(5)的鼎力协助。

【开发背景】

随着互联网上的电子商务的普及,对通讯安全的需求日益高涨。其中,量子密码通信技术作为可将盗听的可能性降低至零的高度安全的临界密码通信手段,其研究开发活动在世界各地积极展开。

【研究课题】

为实现量子密码通信,需开发出能够将1脉冲所含的光子控制为1个的单一光子发生器。但是,由于实际应用中光纤通讯的波长段(1.3-1.55微米)中没有单一光子的发生技术,所以在以往的量子密码通信试验中,不得不使用通常的激光光源来代替单一光子。

但是,量子密码通信中所用的激光光源会使2个以上的光子进入到1脉冲内,从而无法将盗听的可能性降低为零。为了降低2个以上的光子进入1脉冲内的概率,需要降低光源的强度,因此,在使用激光光源的量子密码中便存在着如何提高目前远程通讯速度的100bps这一巨大问题。

【开发技术】

此次开发的内容,是利用1.3至1.55微米的具有实用性的通信波长段发生并测量单一光子的技术。开发技术的特长如下:

1.使用通信波长带的单一光子发生技术 (图1)

http://www.fujitsu.com/img/CN/news/2004/0727_1.gif

图1:产生单一光子的半导体单元

使用光学仿真,从被称作量子粒的纳米尺寸的结构中,设计出了可有效发生光子的半导体单元。同时,新开发出了对极小结构的量子粒不产生损伤的半导体工序技术。根据这一成果,以往无法实现的利用通信波长段发生单一光子便成为可能。所使用的量子粒是由独立行政法人「物质·材料研究机构 纳材料研究所」的佐久间主任领导的研究小组与富士通研究所共同开发、制作出来的。

2.使用通信波长段的单一光子的检测技术 (图2)

http://www.fujitsu.com/img/CN/news/2004/0727_2.gif

图2:单一光子检测系统示意图

为了能够提高新开发的半导体单元的聚光效果,又设计并开发出可将光子脉冲放出的光传输到通讯光纤上的单一光子发送系统。此外,将通过光纤的光束分为2股,设计开发出可准确检测2股光束的接收时间的单一光子接收系统。通过确认2股光束不被同时检测到,可证明发生的光束就是单一光子。

【实验结果和效果】

利用此次开发的系统进行实验,得出了这样的结论,即2股光束在被同时检测时,其干扰误差的范围为零,从而证明了使用通信波长带,可从量子粒中发生单一光子这一事实。(图3)。

http://www.fujitsu.com/img/CN/news/2004/0727_3.gif

图3:单一光子检测的实际结果

此外,虽然此次验证的单一光子的光波长为1.3微米,但是也可以观测到通常使用的通信波长为1.55微米的量子粒的发光。

通过利用通信波长段检测单一光子的发送,即使发送方的发光强度减弱,也可以保证量子密码的通信。根据这一特性,在100公里的通信距离中,其通信能力是以往使用激光光源的量子密码通信的约400倍,达到100kbps,在信息安全要求严格的政府机构、金融、医疗等领域中,实现了量子密码通信技术的实用化的飞跃性提高。

【今后】

今后,为验证波长为1.55微米的单一光子的传输,并提高单一光子的提取效率,大约2007年左右,实现单一光子发生器的实用化这一目标,我们正锐意推进相关的研发工作。此外,面对量子网络的建设,量子中转技术及量子计算技术的开发也在实施中。



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