Forskere fra Toshiba har med suksess sendt kvanteinformasjon over 600 kilometer lange optiske fibre, og skapt en ny avstandsrekord og banet vei for store kvantanettverk som kan brukes til å utveksle informasjon sikkert mellom byer og til og med land.
Arbeidet fra selskapets FoU-laboratorium i Cambridge i Storbritannia, demonstrerte forskerne at de kunne overføre kvantebiter (eller qubits) over hundrevis av kilometer med optisk fiber uten å kryptere de skjøre kvantedataene som er kodet i partikler, takket være en ny teknologi som stabiliserer miljøsvingningene som forekommer i fiberen.
Dette kan gå langt med å skape et neste generasjons kvanteinternett som forskere håper en dag vil strekke seg over globale avstander.
Kvanteinternettet, som vil ha form av et globalt nettverk av kvanteenheter som er koblet til via langdistanse kvantekommunikasjonskoblinger, forventes å muliggjøre brukstilfeller som er umulige med dagens webapplikasjoner. De spenner fra å generere praktisk talt ikke-hackbar kommunikasjon, til å lage klynger av sammenkoblede kvanteenheter som sammen kan overgå beregningskraften til klassiske enheter.
Men for å kommunisere, må kvanteenheter sende og motta qubits – små partikler som eksisterer i en spesiell, men ekstremt skjør, kvantetilstand. Å finne den beste måten å overføre qubits uten å få dem til å falle fra kvantetilstanden, har fått forskere over hele verden til å klø seg i hodet i mange år.
En tilnærming består i å skyte qubits ned optiske fibre som forbinder kvanteenheter. Metoden har vært vellykket, men er begrenset i skala: små endringer i miljøet, for eksempel temperatursvingninger, får fibrene til å ekspandere og trekke seg sammen, og risikerer å rote med qubits.
Dette er grunnen til at eksperimenter med optisk fiber, til nå, vanligvis har vært begrenset til en rekkevidde på hundrevis av kilometer; med andre ord, ikke i nærheten av nok til å skape det store, store kvanteinternet som forskere drømte om.
For å takle de ustabile forholdene i optiske fibre, utviklet Toshibas forskere en ny teknikk kalt “dual band stabilization”. Metoden sender to signaler nedover den optiske fiberen ved forskjellige bølgelengder. Den første bølgelengden brukes til å eliminere raskt varierende svingninger, mens den andre bølgelengden, som har samme bølgelengde som qubits, brukes til finere justeringer av fasen.
Enkelt sagt, de to bølgelengdene kombinerer for å eliminere miljøsvingninger inne i fiberen i sanntid, som ifølge Toshibas forskere gjorde det mulig for qubits å reise trygt over 600 kilometer.
Allerede har selskapets team brukt teknologien til å prøve en av de mest kjente applikasjonene til kvantenettverk: kvantebasert kryptering.
Kjent som Quantum Key Distribution (QKD), utnytter protokollen kvantenettverk for å opprette sikkerhetsnøkler som er umulige å hacke, noe som betyr at brukere kan utveksle konfidensiell informasjon, som kontoutskrifter eller helseposter, på en sikker måte kommunikasjonskanal som internett.
Under en kommunikasjon fungerer QKD ved å få en av de to partene til å kryptere et stykke data ved å kode kryptografinøkkelen på qubits og sende disse qubits til den andre personen takket være et kvantenettverk. På grunn av kvantemekanikkens lover er det imidlertid umulig for en spion å fange opp qubits uten å etterlate et tegn på avlytting som kan sees av brukerne – som igjen kan ta skritt for å beskytte informasjonen.
I motsetning til klassisk kryptografi er QKD derfor ikke avhengig av den matematiske kompleksiteten i å løse sikkerhetsnøkler, men utnytter heller fysikkens lover. Dette betyr at selv de kraftigste datamaskinene ikke klarer å hacke de qubits-baserte nøklene. Det er lett å se hvorfor ideen samler oppmerksomheten til aktører fra alle deler, alt fra finansinstitusjoner til etterretningsbyråer.
Toshibas nye teknikk for å redusere svingninger i optiske fibre gjorde det mulig for forskerne å utføre QKD over en mye større avstand enn tidligere mulig. “Dette er et veldig spennende resultat,” sa Mirko Pittaluga, forsker ved Toshiba Europe. “Med de nye teknikkene vi har utviklet, er ytterligere utvidelser av kommunikasjonsavstanden for QKD fremdeles mulig, og løsningene våre kan også brukes på andre kvantekommunikasjonsprotokoller og applikasjoner.”
Når det gjelder å utføre QKD ved bruk av optisk fiber, er Toshibas 600 kilometer-merke en rekordbryter, som selskapet spår vil gjøre det mulig å opprette sikre forbindelser mellom byer som London, Paris, Brussel, Amsterdam og Dublin.
Andre forskningsgrupper har imidlertid fokusert på forskjellige metoder for å overføre qubits, noe som har gjort det mulig for QKD å skje over enda større avstander. Kinesiske forskere bruker for eksempel en blanding av satellittbaserte sendinger som kommuniserer med optiske fibre på bakken, og har nylig lyktes i å utføre QKD over en total distanse på 4600 kilometer.
Hver tilnærming har sine fordeler og ulemper: bruk av satellittteknologi er dyrere og kan være vanskeligere å oppskalere. Men en ting er sikkert: forskningsgrupper i Storbritannia, Kina og USA eksperimenterer i tempo for å få kvantenettverk til å bli en realitet.
Toshibas forskning ble delvis finansiert av EU, som viser en stor interesse for å utvikle kvantekommunikasjon. I mellomtiden tildeler Kinas siste femårsplan også et spesielt sted for kvantenettverk; og USA publiserte nylig en blåkopi som utarbeidet en trinnvis ledelse til etablering av et globalt kvanteinternett.
Beslektede emner:
Sikkerhet 