Team bygger verdens første rumjordede integrerede kvantekommunikationsnetværk

Den første kvantesikre videokonference blev afholdt mellem præsident Chunli Bai fra det kinesiske videnskabsakademi i Beijing og præsident Anton Zeilinger fra det østrigske videnskabsakademi i Wien som den første virkelige demonstration af interkontinental kvantekommunikation den 29. september.

Privat og sikker kommunikation er grundlæggende menneskelige behov. I særdeleshed, med den eksponentielle vækst i internetbrug og e-handel, det er af afgørende betydning at etablere et sikkert netværk med global beskyttelse af data. Traditionel offentlig nøglekryptografi er sædvanligvis afhængig af den opfattede beregningsmæssige uigennemførlighed af visse matematiske funktioner. I modsætning, quantum key distribution (QKD) bruger individuelle lyskvanter i kvantesuperpositionstilstande for at garantere ubetinget sikkerhed mellem fjerne parter. Tidligere, kvantekommunikationsafstanden var blevet begrænset til et par hundrede kilometer på grund af kanaltab af fibre eller jordbaseret frirum. En lovende løsning på dette problem er at udnytte satellit- og rumbaserede forbindelser, som kan forbinde to fjerntliggende punkter på Jorden med stærkt reduceret kanaltab, da de fleste af fotonernes udbredelsesvej er i det tomme rum med ubetydeligt tab og dekohærens.

Et tværfagligt, multiinstitutionelt team af videnskabsmænd fra det kinesiske videnskabsakademi, ledet af professor Jian-Wei Pan, har brugt mere end 10 år på at udvikle en sofistikeret satellit kaldet Micius til kvantevidenskabelige eksperimenter, som blev lanceret med succes den 16. august 2016 fra Jiuquan, Kina, kredser i en højde af ~500 km.

Satellitten er udstyret med tre nyttelast:en lokketilstand QKD-sender, en sammenfiltret fotonkilde, og en kvanteteleportationsmodtager og -analysator. Fem jordstationer blev bygget i Kina for at koordinere med Micius-satellitten, beliggende i Xinglong (nær Beijing, 40°23'45.12''N, 117°34'38.85''E, højde 890 m), Nanshan (nær Urumqi, 43°28'31.66''N, 87°10'36.07''E, højde 2028 m), Delingha (37°22'44.43''N, 97°43'37.01"E, højde 3153 m), Lijiang (26°41'38.15''N, 100°1'45.55''E, højde 3233 m), og Ngari i Tibet (32°19'30.07''N, 80°1'34.18''E, højde 5047 m).

Inden for et år efter lanceringen, tre vigtige milepæle mod et globalt kvanteinternet er blevet opnået:satellit-til-jord lokketilstand QKD med kHz-hastighed over en afstand på ~1200 km (Liao et al. 2017, Natur 549, 43); satellitbaseret sammenfiltringsdistribution til to steder på Jorden adskilt af ~1200 km og Bell-test (Yin et al. 2017, Science 356, 1140), og jord-til-satellit kvanteteleportation (Ren et al. 2017, Natur 549, 70). Den effektive forbindelseseffektivitet i den satellitbaserede QKD blev målt til at være ~20 størrelsesordener større end direkte transmission gennem optiske fibre i samme længde ved 1200 km.

Den satellitbaserede QKD er nu blevet kombineret med storbyens kvantenetværk, hvor fibre bruges til at forbinde mange brugere inde i en by med en afstandsskala på ~100 km. For eksempel, Xinglong-stationen er nu blevet forbundet til metropolitan multi-node kvantenetværk i Beijing via optiske fibre. For ganske nylig, den største fiberbaserede kvantekommunikationsrygrad blev bygget i Kina af professor Pans team, forbinder Beijing med Shanghai (gennem Jinan og Hefei, og 32 pålidelige relæer) med en fiberlængde på 2000 km. Rygraden bruger lokketilstandsprotokol QKD og opnår en all-pass sikker nøglehastighed på 20 kbps. Det bliver testet til applikationer i den virkelige verden af ​​regeringen, banker, værdipapirer og forsikringsselskaber.

Micius-satellitten kan yderligere udnyttes som et pålideligt relæ til bekvemt at forbinde to punkter på Jorden til højsikkerhedsnøgleudveksling. Tidligt i år, det kinesiske team implementerede satellit-til-jord QKD i Xinglong. Efter det, de sikre nøgler blev opbevaret i satellitten i to timer, indtil den nåede Nanshan station nær Urumqi, i en afstand på ~2500 km fra Beijing. Ved at udføre endnu en QKD mellem satellitten og Nanshan-stationen, og ved at bruge engangs-pad-kodning, en sikker nøgle mellem Xinglong og Nanshan blev derefter etableret. For at teste robustheden og alsidigheden af ​​Micius, QKD fra satellitten til Graz jordstation nær Wien blev gennemført med succes i juni som et samarbejde mellem professor Pan og professor Anton Zeilingers gruppe. Fremtidige eksperimenter er også planlagt mellem Kina og Singapore, Italien, Tyskland, og Rusland.