Toshiba mengembangkan sistem QKD pertama di dunia yang berbasis chip dengan pemancar kuantum, penerima, dan chip penghasil angka acak.
Chip kuantum diproduksi menggunakan proses semikonduktor standar.
Kemajuan signifikan menuju penerapan komunikasi kuantum secara massal.
Toshiba Europe Ltd hari ini mengumumkan bahwa mereka telah mengembangkan sistem distribusi kunci kuantum (QKD) berbasis chip pertama di dunia. Kemajuan ini akan memungkinkan produksi massal teknologi keamanan kuantum, membawa penerapannya ke berbagai skenario yang lebih luas, termasuk solusi Internet of Things (IoT).
QKD menjawab kebutuhan akan kriptografi yang tetap aman dari serangan oleh superkomputer masa depan. Secara khusus, komputer kuantum skala besar akan dapat memecahkan masalah matematika yang sulit yang menjadi dasar dari kriptografi kunci publik yang banyak digunakan saat ini untuk komunikasi aman dan perdagangan elektronik. Sebaliknya, protokol yang digunakan untuk kriptografi kuantum dapat dibuktikan aman dari prinsip pertama dan tidak akan rentan terhadap serangan oleh komputer kuantum, atau bahkan komputer manapun di masa depan.
Pasar QKD diperkirakan akan tumbuh hingga sekitar $20 miliar di seluruh dunia pada tahun fiskal 2035. Jaringan serat optik yang aman dengan kriptografi kuantum sedang dibangun di Eropa dan Asia Tenggara, dan ada rencana untuk meluncurkan satelit yang dapat memperluas jaringan tersebut ke skala global. Pada Oktober 2020, Toshiba merilis dua produk untuk QKD berbasis serat optik, yang didasarkan pada komponen optik diskrit. Bersama dengan mitra proyek, Toshiba telah mengimplementasikan jaringan metro yang aman secara kuantum dan tautan backbone serat optik jarak jauh di Inggris, Eropa, AS, dan Jepang.
Kemajuan dalam Manufaktur
Agar kriptografi kuantum menjadi sebesar kriptografi algoritmik yang kita gunakan saat ini, penting untuk mengurangi ukuran, berat, dan konsumsi daya lebih lanjut. Hal ini terutama penting untuk memperluas QKD dan penghasil angka acak kuantum (QRNG) ke domain baru seperti koneksi last-mile ke pelanggan atau IoT. Pengembangan solusi berbasis chip sangat penting untuk memungkinkan aplikasi pasar massal, yang akan menjadi bagian integral dari terwujudnya ekonomi yang siap untuk kuantum.
Toshiba telah mengembangkan teknik untuk mengecilkan sirkuit optik yang digunakan untuk QKD dan QRNG ke dalam chip semikonduktor kecil. Chip ini tidak hanya lebih kecil dan ringan daripada rekan-rekan mereka yang berbasis serat optik, tetapi juga mengkonsumsi daya lebih sedikit. Yang paling signifikan, banyak dari chip ini dapat diproduksi secara paralel pada wafer semikonduktor yang sama menggunakan teknik standar yang digunakan dalam industri semikonduktor, memungkinkan mereka diproduksi dalam jumlah yang jauh lebih besar. Misalnya, chip pemancar kuantum yang dikembangkan oleh Toshiba hanya berukuran 2x6mm, memungkinkan beberapa ratus chip diproduksi secara bersamaan pada sebuah wafer.
Andrew Shields, Kepala Teknologi Kuantum di Toshiba Eropa, berkomentar, “Integrasi fotonik akan memungkinkan kami memproduksi perangkat keamanan kuantum dalam jumlah besar dengan cara yang sangat dapat diulang. Ini akan memungkinkan produksi produk kuantum dalam faktor bentuk yang lebih kecil, dan selanjutnya memungkinkan penerapan QKD ke dalam lebih banyak jaringan telekomunikasi dan datakom.”
Taro Shimada, Wakil Presiden Senior Perusahaan dan Chief Digital Officer dari Toshiba Corporation, berkomentar, “Toshiba telah berinvestasi dalam R&D teknologi kuantum di Inggris selama lebih dari dua dekade. Kemajuan terbaru ini sangat signifikan, karena akan memungkinkan kami untuk memproduksi dan mengirimkan QKD dalam jumlah yang jauh lebih besar. Ini adalah tonggak penting menuju visi kami untuk membangun platform komunikasi yang aman kuantum berdasarkan perangkat keamanan kuantum yang ada di mana-mana.”
Sebagian dari pekerjaan ini didanai oleh Proyek R&D Kolaboratif Innovate UK AQuaSeC, melalui Dana Tantangan Strategi Industri. Rincian kemajuan ini dipublikasikan di jurnal ilmiah, Nature Photonics.
Ringkasan Teknis
Sistem QKD biasanya terdiri dari sirkuit serat optik yang kompleks, mengintegrasikan komponen diskrit, seperti laser, modulasi elektro-optik, pemisah berkas, dan penghubung serat. Karena komponen-komponen ini relatif besar dan mahal, tujuan dari pekerjaan ini adalah untuk mengembangkan sistem QKD di mana sirkuit dan perangkat serat optik ditulis dalam chip semikonduktor skala milimeter.
Toshiba telah mengembangkan prototipe QKD lengkap pertama di mana chip fotonik kuantum dengan fungsionalitas berbeda diterapkan. Bit acak untuk mempersiapkan dan mengukur qubit diproduksi dalam chip QRNG dan dikonversi secara real-time menjadi pola modulasi kecepatan tinggi untuk pemancar QKD berbasis chip (QTx) dan penerima (QRx) menggunakan field-programmable gate arrays (FPGAs). Foton dideteksi menggunakan detektor foton tunggal yang digerakkan cepat. Penyaringan, evaluasi statistik foton, sinkronisasi waktu, dan penstabilan fase dilakukan melalui tautan optik 10 Gb/s antara inti FPGA, memungkinkan operasi mandiri selama periode waktu yang lebih lama. Sebagai bagian dari demonstrasi, sistem QKD berbasis chip dihubungkan dengan pengacak komersial, memungkinkan transfer data aman dengan kecepatan bit hingga 100 Gb/s.
Untuk mempromosikan integrasi ke dalam infrastruktur komunikasi konvensional, unit QKD dirakit dalam kasus rakmount kompak 1U. Chip QRx dan QTx dikemas dalam modul C-form-factor-pluggable-2 (CFP2), faktor bentuk yang umum dalam komunikasi optik koheren, untuk memastikan kompatibilitas ke depan dari sistem dengan generasi chip QKD berikutnya, menjadikannya mudah untuk diperbarui. Modul kecil-form-factor-pluggable (SFP) 10 Gb/s yang tersedia di pasaran digunakan untuk saluran komunikasi publik.
Taofiq Paraiso, penulis utama makalah Nature Photonics yang menggambarkan sistem QKD berbasis chip, mengatakan: “Kami sedang menyaksikan dengan sirkuit terintegrasi fotonik revolusi serupa dengan yang terjadi pada sirkuit elektronik. PIC terus melayani aplikasi yang semakin beragam. Tentu saja, persyaratan untuk PIC kuantum lebih ketat daripada aplikasi konvensional, tetapi pekerjaan ini menunjukkan bahwa sistem QKD berbasis chip yang sepenuhnya dapat diterapkan kini dapat dicapai, menandai berakhirnya tantangan penting bagi teknologi kuantum. Ini membuka berbagai perspektif untuk penerapan perangkat kuantum yang kompak dan plug-and-play yang pasti akan memberikan dampak besar bagi masyarakat kita.”
Share this post