Forskere fra Toshiba har med succes sendt kvanteinformation over 600 kilometer lange optiske fibre, hvilket skaber en ny afstandsrekord og baner vejen for store kvantenetværk, der kan bruges til at udveksle information sikkert mellem byer og endda lande.
Arbejdet fra virksomhedens forskningslaboratorium i Cambridge i Storbritannien demonstrerede forskerne, at de kunne overføre kvantebits (eller qubits) over hundreder af kilometer optisk fiber uden at kryptere de skrøbelige kvantedata kodet i partikler takket være en ny teknologi, der stabiliserer de miljømæssige udsving i fiberen.
Dette kan gå langt i at hjælpe med at skabe et næste generations kvanteinternet, som forskere håber en dag vil spænde over globale afstande.
Kvanteinternet, der vil tage form af et globalt netværk af kvanteenheder, der er forbundet via langdistance-kvantekommunikationslink, forventes at muliggøre brugssager, der er umulige med nutidens webapplikationer. De spænder fra at generere praktisk talt ikke-hackbar kommunikation til at skabe klynger af indbyrdes forbundne kvanteenheder, der sammen kunne overgå computerkraften til klassiske enheder.
Men for at kommunikere skal kvanteenheder sende og modtage qubits – små partikler, der findes i en speciel, men ekstremt skrøbelig kvantetilstand. At finde den bedste måde at transmittere qubits uden at få dem til at falde fra deres kvantetilstand har fået forskere over hele verden til at skrabe hovedet i mange år.
En tilgang består i at skyde qubits ned på optiske fibre, der forbinder kvanteenheder. Metoden har været vellykket, men er begrænset i skala: små ændringer i miljøet, såsom temperatursvingninger, får fibrene til at ekspandere og trække sig sammen og risikerer at rodne med qubits.
Dette er grunden til, at eksperimenter med optisk fiber indtil nu typisk har været begrænset til en rækkevidde på hundreder af kilometer; med andre ord intetsteds nær nok til at skabe det store, store kvanteinternet, som forskere drømte om.
For at tackle de ustabile forhold inden for optiske fibre udviklede Toshibas forskere en ny teknik kaldet “dobbeltbåndsstabilisering”. Metoden sender to signaler ned ad den optiske fiber ved forskellige bølgelængder. Den første bølgelængde bruges til at fjerne hurtig varierende udsving, mens den anden bølgelængde, som har samme bølgelængde som qubits, bruges til finere justeringer af fasen.
Enkelt sagt kombinerer de to bølgelængder sig for at fjerne miljøudsving inden i fiberen i realtid, hvilket ifølge Toshibas forskere gjorde det muligt for qubits at rejse sikkert over 600 kilometer.
Virksomhedens team har allerede brugt teknologien til at afprøve en af de mest kendte applikationer af kvantenetværk: kvantebaseret kryptering.
Kendt som QKD (Quantum Key Distribution), udnytter protokollen kvantenetværk til at skabe sikkerhedsnøgler, der er umulige at hacke, hvilket betyder, at brugerne sikkert kan udveksle fortrolige oplysninger, som kontoudtog eller sundhedsregistreringer, over en ikke-tillid kommunikationskanal såsom internettet.
Under en kommunikation fungerer QKD ved at have en af de to parter til at kryptere et stykke data ved at kode krypteringsnøglen på qubits og sende disse qubits til den anden person takket være et kvantenetværk. På grund af kvantemekanikens love er det imidlertid umuligt for en spion at opfange qubits uden at efterlade et tegn på aflytning, der kan ses af brugerne – som igen kan tage skridt til at beskytte informationen.
I modsætning til klassisk kryptografi er QKD derfor ikke afhængig af den matematiske kompleksitet ved at løse sikkerhedsnøgler, men snarere udnytter fysikens love. Dette betyder, at selv de mest kraftfulde computere ikke ville være i stand til at hacke de qubits-baserede nøgler. Det er let at se, hvorfor ideen samler opmærksomhed fra spillere fra alle dele, lige fra finansielle institutioner til efterretningsbureauer.
Toshibas nye teknik til at reducere udsving i optiske fibre gjorde det muligt for forskerne at udføre QKD over en langt større afstand end tidligere muligt. ”Dette er et meget spændende resultat,” sagde Mirko Pittaluga, forsker ved Toshiba Europe. “Med de nye teknikker, vi har udviklet, er yderligere udvidelser af kommunikationsafstanden til QKD stadig mulig, og vores løsninger kan også anvendes på andre kvantekommunikationsprotokoller og applikationer.”
Når det kommer til at udføre QKD ved hjælp af optisk fiber, er Toshibas 600 kilometer mark en rekordbryder, som virksomheden forudsiger vil gøre det muligt at skabe sikre forbindelser mellem byer som London, Paris, Bruxelles, Amsterdam og Dublin.
Andre forskningsgrupper har dog fokuseret på forskellige metoder til transmission af qubits, som har gjort det muligt for QKD at ske over endnu større afstande. For eksempel bruger kinesiske forskere en blanding af satellitbaserede transmissioner, der kommunikerer med optiske fibre på jorden, og lykkedes for nylig at udføre QKD over en samlet afstand på 4.600 kilometer.
Hver tilgang har sine fordele og ulemper: at bruge satellitteknologier er dyrere og kan være sværere at opskalere. Men en ting er helt sikkert: Forskningsgrupper i Storbritannien, Kina og USA eksperimenterer i tempo for at få kvantenet til at blive en realitet.
Toshibas forskning blev delvist finansieret af EU, som viser en stor interesse i at udvikle kvantekommunikation. I mellemtiden tildeler Kinas seneste femårsplan også et særligt sted for kvantenet; og USA offentliggjorde for nylig en plan, der opstod et trin for trin, der førte til oprettelsen af et globalt kvanteinternet.
Relaterede emner:
Sikkerhed 