Interkontinentale kvantekommunikationer i virkeligheden aktiveret af Micius-satellitten

Et fælles Kina-Østrig-team har udført kvantnøglefordeling mellem kvantevidenskabelige satellitter Micius og flere jordstationer i Xinglong (nær Beijing), Nanshan (nær Urumqi), og Graz (nær Wien). Sådanne eksperimenter demonstrerer den sikre satellit-til-jord-udveksling af kryptografiske nøgler under passage af satellitten Micius over en jordstation. Brug af Micius som et betroet relæ, en hemmelig nøgle blev oprettet mellem Kina og Europa på steder adskilt op til 7, 600 km på Jorden.

Privat og sikker kommunikation er grundlæggende for internetbrug og e-handel, og det er vigtigt at etablere et sikkert netværk med global beskyttelse af data. Traditionel offentlig nøglekryptografi er normalt afhængig af beregningsmæssig uoverkommelighed for visse matematiske funktioner. I modsætning, quantum key distribution (QKD) bruger individuelle lyskvanta (enkeltfotoner) i kvanteoverlejringsstater for at garantere ubetinget sikkerhed mellem fjerne parter. Tidligere har kvantekommunikationsafstanden har været begrænset til et par hundrede kilometer på grund af optiske kanaltab af fibre eller terrestrisk ledigt rum. En lovende løsning på dette problem udnytter satellit- og rumbaserede links, som bekvemt kan forbinde to fjernpunkter på Jorden med stærkt reduceret kanaltab, da de fleste af fotonenes formeringssti er gennem tomt rum med ubetydeligt tab og dekoherens.

Et tværfagligt multinstitutionelt team af forskere fra det kinesiske videnskabsakademi, ledet af professor Jian-Wei Pan, har brugt mere end 10 år på at udvikle en sofistikeret satellit, Micius, dedikeret til kvantevidenskabelige eksperimenter, som blev lanceret i august 2016 og kredser i ~ 500 km højde. Fem jordstationer i Kina koordinerer med Micius -satellitten. Disse er placeret i Xinglong (nær Beijing), Nanshan (nær Urumqi), Delingha (37 ° 22'44,43''N, 97 ° 43'37.01 "E), Lijiang (26 ° 41'38.15''N, 100 ° 1'45.55''E), og Ngari i Tibet (32 ° 19'30.07''N, 80 ° 1'34,18''Ø).

Inden for et år efter lanceringen, tre centrale milepæle for et globalt kvanteinternet blev opnået:satellit-til-jord decoy-state QKD med kHz-hastighed over en afstand på ~ 1200 km (Liao et al. 2017, Natur 549, 43); satellitbaseret sammenfiltringsfordeling til to steder på Jorden adskilt af ~ 1200 km og Bell-test (Yin et al. 2017, Videnskab 356, 1140), og jord-til-satellit kvanteteleportation (Ren et al. 2017, Natur 549, 70). De effektive forbindelseseffektiviteter i den satellitbaserede QKD blev målt til at være ~ 20 størrelsesordener større end direkte transmission gennem optiske fibre i samme længde på 1200 km. De tre eksperimenter er de første skridt mod et globalt rumbaseret kvanteinternet.

Den satellitbaserede QKD er nu blevet kombineret med storbyens kvantenetværk, hvor fibre bruges til effektivt og bekvemt at forbinde mange brugere inde i en by over en afstandsskala på ~ 100 km. For eksempel, Xinglong-stationen er nu blevet forbundet til det metropolitiske multi-node kvantenetværk i Beijing via optiske fibre. For nylig, den største fiberbaserede kvantekommunikations rygrad er blevet bygget i Kina, også af professor Pans team, forbinder Beijing med Shanghai (går gennem Jinan og Hefei, og 32 tillidsfulde relæer) med en fiberlængde på 2000 km. Rygraden testes for virkelige applikationer af regeringen, banker, værdipapirer og forsikringsselskaber.

Micius-satellitten kan yderligere udnyttes som et pålideligt relæ til bekvemt at forbinde to punkter på Jorden til højsikkerhedsudveksling af nøgler. For yderligere at demonstrere Micius -satellitten som en robust platform til kvantnøgledistribution med forskellige jordstationer på jorden, QKD fra Micius -satellitten til Garz grundstation nær Wien er også blevet udført med succes i juni i samarbejde med professor Anton Zeilinger fra det østrigske videnskabsakademi. Satellitten etablerer således en sikker nøgle mellem sig selv og sige, Xinglong, og en anden nøgle mellem sig selv og, sige, Graz. Derefter, efter anmodning fra jordkommandostationerne, Micius fungerer som et pålideligt relæ. Det udfører bitvis eksklusive OR -operationer mellem de to taster og videresender resultatet til en af ​​jordstationerne. Den vej, en hemmelig nøgle skabes mellem Kina og Europa på steder adskilt af 7600 km på Jorden. Dette arbejde peger mod en effektiv løsning til et ultra-langdistance globalt kvantenetværk.

Et billede af Micius (med en størrelse på 5,34 kB) blev sendt fra Beijing til Wien, og et billede af Schrödinger (med en størrelse på 4,9 kB) fra Wien til Beijing, ved hjælp af cirka 80 kbit sikker kvantnøgle til engangskodning.

Der blev også afholdt en interkontinental videokonference mellem det kinesiske videnskabsakademi og det østrigske videnskabsakademi, ved hjælp af Advanced Encryption Standard (AES) -128-protokollen, der opdaterede 128-bit seed-nøglerne hvert sekund. Videokonferencen varede i 75 minutter med en samlet dataoverførsel på ~ 2 GB, som omfattede? 560 kbit af kvantnøglen, der blev udvekslet mellem Østrig og Kina. Undersøgelsen vil blive offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .