Verdens første integrerede kvantekommunikationsnetværk

Kinesiske forskere har etableret verdens første integrerede kvantekommunikationsnetværk, kombinerer over 700 optiske fibre på jorden med to jord-til-satellitforbindelser for at opnå kvantnøglefordeling over en samlet afstand på 4, 600 kilometer for brugere i hele landet. Holdet, ledet af Jianwei Pan, Yuao Chen, Chengzhi Peng fra University of Science and Technology of China i Hefei, rapporteret i Natur deres seneste fremskridt mod det globale, praktisk anvendelse af et sådant netværk til fremtidig kommunikation.

I modsætning til konventionel kryptering, kvantekommunikation betragtes som uhackelbar og derfor fremtiden for sikker informationsoverførsel til banker, elnet og andre sektorer. Kernen i kvantekommunikation er kvantnøglefordeling (QKD), som bruger partikeltilstandene - f.eks. fotoner - for at danne en række nuller og én, mens enhver aflytning mellem afsender og modtager vil ændre denne streng eller nøgle og blive bemærket med det samme. Indtil nu, den mest almindelige QKD -teknologi bruger optiske fibre til transmissioner over flere hundrede kilometer, med høj stabilitet men betydeligt kanaltab. En anden stor QKD-teknologi bruger det frie rum mellem satellitter og jordstationer til transmissioner på tusind kilometer. I 2016, Kina lancerede verdens første kvantekommunikationssatellit (QUESS, eller Mozi/Micius) og opnåede QKD med to jordstationer, der er 2, 600 km fra hinanden. I 2017, over 2, 000 km langt optisk fibernet blev afsluttet for QKD mellem Beijing og Shanghai.

Brug af betroede relæer, det jordbaserede fibernet og satellit-til-jord-forbindelserne blev integreret for at betjene mere end 150 industrielle brugere i hele Kina, herunder statslige og lokale banker, kommunale elnet, og e-forvaltningssider. Dette arbejde viser, at kvantekommunikationsteknologi kan bruges til fremtidige store praktiske applikationer. Tilsvarende et globalt kvantekommunikationsnetværk kan etableres, hvis nationale kvantenetværk fra forskellige lande kombineres, og hvis universiteter, institutioner og virksomheder går sammen om at standardisere relaterede protokoller, hardware.

I de sidste par år, teamet har omfattende testet og forbedret ydeevnen for forskellige dele af det integrerede netværk. For eksempel, med en øget urfrekvens og mere effektiv QKD -protokol, satellit-til-jorden QKD har nu en gennemsnitlig nøglegenereringshastighed på 47,8 kilobit pr. sekund, hvilket er 40 gange højere end den tidligere sats. Forskerne har også skubbet rekorden for jordbaseret QKD til over 500 km ved hjælp af en ny teknologi kaldet twin-field QKD (TF-QKD).

Næste op, teamet vil yderligere udvide netværket i Kina og med deres internationale partnere fra Østrig, Italien, Rusland og Canada. De har også til formål at udvikle småskala, omkostningseffektive QKD-satellitter og jordbaserede modtagere, såvel som mellemstore og høje jordbaner for at opnå all-time, ti tusinde km-niveau QKD.