Demonstration af kvantekommunikation over optiske fibre over 600 km

Cambridge Research Laboratory of Toshiba Europe annoncerede i dag den første demonstration af kvantekommunikation over optiske fibre, der er over 600 km lange. Gennembruddet vil muliggøre langdistance, kvantesikret informationsoverførsel mellem storbyområder, og er et stort fremskridt hen imod opbygningen af ​​fremtidens kvanteinternet.

Udtrykket kvanteinternet beskriver et globalt netværk af kvantecomputere, der er forbundet med langdistance kvantekommunikationsforbindelser. Det forventes at muliggøre den ultrahurtige løsning af komplekse optimeringsproblemer i skyen, et mere præcist globalt timingsystem og yderst sikker kommunikation rundt om i verden. Flere store regeringsinitiativer til at bygge et kvante-internet er blevet annonceret, for eksempel, i USA, E.U. og Kina.

En af de sværeste teknologiske udfordringer i opbygningen af ​​kvanteinternettet, er problemet med, hvordan man sender kvantebits over lange optiske fibre. Små ændringer i de omgivende forhold, såsom temperaturudsving, få fibrene til at udvide sig og trække sig sammen, derved forvrænger de skrøbelige qubits, som er kodet som en faseforsinkelse af en svag optisk puls i fiberen.

Nu, Toshiba har demonstreret rekordafstande for kvantekommunikation ved at introducere en ny 'dual band'-stabiliseringsteknik. Dette sender to optiske referencesignaler ved forskellige bølgelængder for at minimere fasesvingningerne på lange fibre. Den første bølgelængde bruges til at udligne de hurtigt varierende udsving, mens den anden bølgelængde, på samme bølgelængde som de optiske qubits, bruges til finjustering af fasen. Efter implementering af disse nye teknikker, Toshiba fandt ud af, at det er muligt at holde den optiske fase af et kvantesignal konstant inden for en brøkdel af en bølgelængde, med en præcision på 10s nanometer, selv efter udbredelse gennem 100-vis af km fiber. Uden at annullere disse udsving i realtid, fiberen vil udvide sig og trække sig sammen med temperaturændringer, forvrængning af kvanteinformationen.

Den første ansøgning om dobbeltbåndsstabilisering vil være for fjerntliggende Quantum Key Distribution (QKD). Kommercielle QKD-systemer er begrænset til omkring 100-200 km fiber. I 2018, Toshiba foreslog Twin Field QKD -protokollen som en måde at forlænge afstanden, og testede dens modstandsdygtighed over for optiske tab ved hjælp af korte fibre og dæmpere. Ved at introducere dual band stabiliseringsteknikken, Toshiba har nu implementeret Twin Field QKD på lange fibre og demonstreret QKD over 600 km, for første gang.

"Dette er et meget spændende resultat, " kommenterer Mirko Pittaluga, første forfatter til artiklen, der beskriver resultaterne. "Med de nye teknikker, vi har udviklet, yderligere udvidelser af kommunikationsafstanden for QKD er stadig mulige, og vores løsninger kan også anvendes til andre kvantekommunikationsprotokoller og applikationer."

Andrew Shields, leder af Quantum Technology Division hos Toshiba Europe, siger, "QKD er blevet brugt til at sikre hovedstadsnetværk i de seneste år. Dette seneste fremskridt udvider det maksimale spænd for en kvanteforbindelse, så det er muligt at forbinde byer på tværs af lande og kontinenter, uden at bruge betroede mellemknuder. Implementeret sammen med Satellite QKD, det vil give os mulighed for at bygge et globalt netværk til kvantesikret kommunikation."

Taro Shimada, corporate senior vice president og Chief Digital Officer i Toshiba Corporation afspejler, "Med denne succes inden for kvanteteknologi, Toshiba er villig til yderligere at udvide sin kvantevirksomhed med hurtig hastighed. Vores vision er en platform for kvanteinformationsteknologitjenester, som ikke kun vil muliggøre sikker kommunikation på globalt plan, men også transformationsteknologier såsom skybaseret kvanteberegning og distribueret kvantefølelse. "

Detaljerne om fremskridtet er offentliggjort i dag i det videnskabelige tidsskrift, Naturfotonik . Arbejdet blev delvist finansieret af EU gennem H2020-projektet, OpenQKD. Teamet udvikler nu de foreslåede løsninger for at forenkle deres fremtidige indførelse og implementering.

Denne seneste udvikling følger meddelelsen sidste år om, at BT og Toshiba havde installeret Storbritanniens første industrielle kvantesikre netværk. Overførsel af data mellem National Composites Center (NCC) og Center for Modeling &Simulation (CFMS), Toshibas multipleksing-kompatibilitet gør det muligt at overføre data og kvantenøgler på den samme fiber, eliminerer behovet for dyr dedikeret infrastruktur til nøgledistribution. Den kombinerede ankomst af multiplekset QKD ved hjælp af eksisterende infrastruktur til kortere afstande, sammen med Twin Field QKD for længere afstande, baner vejen for et kommercielt levedygtigt globalt kvantesikkert netværk.

QKD giver brugerne mulighed for sikkert at udveksle fortrolige oplysninger (såsom kontoudtog, sundhedsjournaler, private opkald) over en upålidelig kommunikationskanal (såsom internettet). Det gør det ved at distribuere til de tiltænkte brugere en fælles hemmelig nøgle, der kan bruges til at kryptere, og dermed beskytte, den information, der udveksles over kommunikationskanalen. Sikkerheden af ​​den hemmelige nøgle hviler på de grundlæggende egenskaber af individuelle kvantesystemer (fotoner, lyspartiklerne), som kodes og transmitteres til nøglegenereringen. I tilfælde af at disse fotoner opsnappes af en ikke-udpeget bruger, kvantefysik garanterer, at de tilsigtede brugere kan opfatte aflytning, og dermed beskytte kommunikationen.

I modsætning til andre eksisterende sikkerhedsløsninger, kvantekryptografiens sikkerhed stammer direkte fra de fysiske love, vi bruger til at beskrive verden omkring os, og af denne grund, det er sikret mod fremtidige fremskridt inden for matematik og databehandling (inklusive fremkomsten af ​​kvantecomputere). I lyset af dette, QKD forventes at blive et væsentligt værktøj til at beskytte driftskritisk kommunikation for virksomheder og regeringer.