Forskare från Toshiba har framgångsrikt skickat kvantinformation över 600 kilometer långa optiska fibrer, skapat en ny distansrekord och banat väg för stora kvantnätverk som kan användas för att utbyta information säkert mellan städer och till och med länder.
Arbetade från företagets FoU-laboratorium i Cambridge i Storbritannien, visade forskarna att de kunde överföra kvantbitar (eller qubits) över hundratals kilometer optisk fiber utan att kryptera de ömtåliga kvantdata som kodats i partiklar tack vare en ny teknik som stabiliserar de miljöfluktuationer som uppstår i fibern.
Detta kan gå långt för att skapa ett nästa generations kvantinternet som forskare hoppas att en dag kommer att sträcka sig över globala avstånd.
Kvantinternet, som kommer att ta formen av ett globalt nätverk av kvantenheter som är anslutna med långdistanskvantkommunikationslänkar, förväntas möjliggöra användningsfall som är omöjliga med dagens webbapplikationer. De sträcker sig från att generera praktiskt taget icke-hackbar kommunikation till att skapa kluster av sammankopplade kvanteenheter som tillsammans kan överträffa beräkningskraften hos klassiska enheter.
Men för att kommunicera måste kvantapparater skicka och ta emot qubits – små partiklar som finns i ett speciellt men extremt bräckligt kvanttillstånd. Att hitta det bästa sättet att överföra qubits utan att få dem att falla från sitt kvanttillstånd har fått forskare runt om i världen att klia på huvudet i många år.
Ett tillvägagångssätt består av att skjuta kvittor ner optiska fibrer som ansluter kvantenheter. Metoden har varit framgångsrik men är begränsad i skala: små förändringar i miljön, såsom temperatursvängningar, gör att fibrerna expanderar och dras samman och riskerar att klara sig med qubits.
Detta är anledningen till att experiment med optisk fiber hittills vanligtvis har begränsats till ett intervall på hundratals kilometer; med andra ord ingenstans nära att skapa det stora, globala kvantinternet som forskare drömde om.
För att ta itu med de instabila förhållandena i optiska fibrer utvecklade Toshibas forskare en ny teknik som kallas “dual band stabilization”. Metoden skickar två signaler nedför den optiska fibern vid olika våglängder. Den första våglängden används för att eliminera snabbt varierande fluktuationer, medan den andra våglängden, som har samma våglängd som qubits, används för finare justeringar av fasen.
Enkelt uttryckt kombinerar de två våglängderna för att eliminera miljöfluktationer inuti fibern i realtid, vilket enligt Toshibas forskare gjorde det möjligt för qubits att resa säkert över 600 kilometer.
Redan har företagets team använt tekniken för att testa en av de mest kända applikationerna för kvantnätverk: kvantbaserad kryptering.
Känd som QKD (Quantum Key Distribution), använder protokollet kvantnätverk för att skapa säkerhetsnycklar som är omöjliga att hacka, vilket innebär att användare säkert kan utbyta konfidentiell information, som kontoutdrag eller hälsoposter, över en otillförlitlig kommunikationskanal som Internet.
Under en kommunikation fungerar QKD genom att låta en av de två parterna kryptera en bit data genom att koda kryptografinyckeln på qubits och skicka dessa qubits till den andra personen tack vare ett kvantnätverk. På grund av kvantmekanikens lagar är det dock omöjligt för en spion att fånga qubits utan att lämna ett tecken på avlyssning som kan ses av användarna – som i sin tur kan vidta åtgärder för att skydda informationen.
Till skillnad från klassisk kryptografi förlitar sig QKD därför inte på den matematiska komplexiteten för att lösa säkerhetsnycklar utan utnyttjar snarare fysikens lagar. Det betyder att även de mest kraftfulla datorerna inte skulle kunna hacka de qubits-baserade nycklarna. Det är lätt att se varför idén samlar spelarnas uppmärksamhet från alla delar, allt från finansiella institutioner till underrättelsetjänster.
Toshibas nya teknik för att minska fluktuationer i optiska fibrer gjorde det möjligt för forskarna att genomföra QKD över ett mycket större avstånd än tidigare möjligt. “Detta är ett mycket spännande resultat”, säger Mirko Pittaluga, forskare vid Toshiba Europe. “Med de nya teknikerna vi har utvecklat är ytterligare förlängningar av kommunikationsavståndet för QKD fortfarande möjliga och våra lösningar kan också tillämpas på andra kvantkommunikationsprotokoll och applikationer.”
När det gäller att utföra QKD med optisk fiber är Toshibas 600 kilometer varumärke en rekordbrytare, vilket företaget förutspår kommer att möjliggöra säkra länkar mellan städer som London, Paris, Bryssel, Amsterdam och Dublin.
Andra forskargrupper har dock fokuserat på olika metoder för att överföra qubits, vilket har gjort det möjligt för QKD att hända över ännu större avstånd. Kinesiska forskare använder till exempel en blandning av satellitbaserade sändningar som kommunicerar med optiska fibrer på marken och lyckades nyligen utföra QKD över ett totalt avstånd på 4600 kilometer.
Varje tillvägagångssätt har sina för- och nackdelar: att använda satellitteknik är dyrare och kan vara svårare att skala upp. Men en sak är säker: forskargrupper i Storbritannien, Kina och USA experimenterar i takt för att få kvantnätverk att bli verklighet.
Toshibas forskning finansierades delvis av EU, som visar ett stort intresse för att utveckla kvantkommunikation. Samtidigt tilldelar Kinas senaste femårsplan också en särskild plats för kvantnätverk. och Förenta staterna publicerade nyligen en ritning som steg för steg leder till upprättandet av ett globalt kvantinternet.
Relaterade ämnen:
Säkerhet 