Wyzwania inżynierskie w branży quantum i QKD
Technologie kwantowe — komunikacja kwantowa (QKD), obliczenia kwantowe oparte na fotonach i sensoryka kwantowa — są na etapie przejścia z laboratoriów akademickich do wdrożeń przemysłowych. Polska i europejski przemysł intensywnie inwestuje w tę dziedzinę, m.in. w ramach Europejskiej Inicjatywy Kwantowej (EQI).
Wszystkie te technologie opierają się na precyzyjnych komponentach fotonicznych — źródłach fotonów splątanych, detektorach SNSPD, modulatorach fazowych, filtrach WDM z rozdzielczością pm i sieciach światłowodowych QKD. Projektowanie każdego z tych elementów wymaga narzędzi symulacyjnych, które operują na tym samym poziomie dokładności co zjawiska kwantowe.
OptiSystem obsługuje modelowanie protokołów QKD i analizę bezpieczeństwa kanałów kwantowych. OptiFDTD i OptiOmega umożliwiają projektowanie nanorezonatorów i waveguide components dla quantum photonic circuits. To dziedzina, w której Polska może budować przewagę technologiczną — a iSymulacje dostarcza narzędzia do tej pracy.
Jak nasze oprogramowanie wspiera projektowanie?
| Produkt | Rola w tym zakresie |
|---|---|
 | Symulacja kanałów QKD (BB84, E91), analiza QBER, sieci kwantowe z repeaterami |
 | Projektowanie quantum PIC — nanorezonatory, sprzęgacze dla fotonów splątanych |
 | Symulacja nanokawęk fotonicznych, rezonatorów WGM, anteny dla pojedynczych fotonów |
 | Falowody w obwodach kwantowych — splitters, MZI dla quantum gates |
symulacja łącza QKD BB84 z analizą QBER
Założenia bezpieczeństwa
Celem projektu było zweryfikowanie działania światłowodowego kanału komunikacji kwantowej wykorzystującego protokół BB84 na dystansie około 50 km. Model obejmował źródło słabych impulsów optycznych, kanał transmisyjny oraz układ detekcji pojedynczych fotonów, umożliwiając ocenę jakości i bezpieczeństwa transmisji klucza kwantowego.
Model nadajnika i kanału kwantowego
W symulacji odwzorowano źródło impulsów o kontrolowanej średniej liczbie fotonów na impuls, zgodne z wymaganiami praktycznych systemów QKD. Uwzględniono tłumienie włókna światłowodowego, straty elementów optycznych, niedoskonałości modulacji polaryzacji oraz niestabilności czasowe źródła wpływające na dokładność transmisji.
Analiza błędów kwantowych (QBER)
Przeprowadzono analizę współczynnika QBER (Quantum Bit Error Rate), określając wpływ szumów detektora, ciemnych zliczeń, strat optycznych oraz błędów ustawienia baz pomiarowych na jakość uzyskiwanego klucza kwantowego. Wyniki pozwoliły ocenić, czy parametry kanału spełniają wymagania bezpieczeństwa protokołu BB84.
Model odbiornika kwantowego
W układzie odbiorczym uwzględniono detektory SNSPD (Superconducting Nanowire Single-Photon Detector) wraz z ich sprawnością detekcji, czasem odpowiedzi, jitterem czasowym oraz poziomem szumów. Analiza umożliwiła określenie wpływu parametrów detektora na końcową wartość QBER i efektywną szybkość generacji klucza.
Optymalizacja parametrów łącza
Na podstawie wyników symulacji zoptymalizowano parametry nadajnika, kanału światłowodowego oraz odbiornika, tak aby utrzymać współczynnik QBER poniżej wymaganego poziomu akceptacji dla bezpiecznej dystrybucji klucza kwantowego.
Zweryfikowany projekt
Model komputerowy umożliwił ocenę zasięgu, stabilności oraz jakości transmisji QKD przed wykonaniem kosztownych testów terenowych. Symulacja ograniczyła ryzyko projektowe i pozwoliła przygotować konfigurację łącza do wdrożenia w rzeczywistej infrastrukturze światłowodowej.
Najczęściej zadawane pytania
Quantum i QKD
Czy OptiSystem obsługuje protokoły QKD BB84, E91 i CV-QKD?
OptiSystem zawiera komponenty do modelowania systemów kwantowej dystrybucji klucza, w tym źródła fotonów, analizatory polaryzacji i detektory. Modelowanie pełnych protokołów kryptograficznych wymaga uzupełnienia o skrypty Python lub MATLAB — nasz inżynier może doradzić w tym zakresie.
Czy OptiFDTD nadaje się do projektowania źródeł fotonów splątanych (SPDC)?
Tak. OptiFDTD może modelować procesy SPDC (Spontaneous Parametric Down-Conversion) w strukturach periodycznie polowanego LiNbO₃ (PPLN) i fotonicznych kryształów nieliniowych, obliczając wydajność konwersji i właściwości fotonów produktów.
Czy są dostępne licencje akademickie dla grup badawczych zajmujących się quantum?
Tak. Wszystkie produkty Optiwave są dostępne w wersjach akademickich. Skontaktuj się z nami — pomożemy dobrać licencje odpowiednie dla Twojego projektu badawczego i ewentualnie wskazać opcje finansowania (granty NCN, NAWA, projekty europejskie EQI).
Masz specyficzne wyzwanie z tej dziedziny?
Nasz inżynier odpowie w ciągu 1 dnia roboczego, doradzi narzędzia i opcje licencyjne.
Wyślij pytanie do inżynieraSzukasz oprogramowania OptiSystem?
Pobierz wersję testową na 14-30 dni, by wypróbować OptiSystem z pełną obsługą techniczną podczas Twojego bieżącego projektu.
Pobierz trial OptiSystem