Naukowcy z Niemiec przeprowadzili pierwszy międzymiastowy eksperyment dotyczący dystrybucji klucza kwantowego, wykorzystując kropki kwantowe jako źródła pojedynczych fotonów, wykazując bezpieczną komunikację za pośrednictwem łącza światłowodowego o długości 79 km. Ten przełom toruje drogę solidniejszym kwantowym technologiom internetowym i przyszłym aplikacjom.
Konwencjonalne metody szyfrowania opierają się na złożonych algorytmach matematycznych i ograniczeniach aktualnej mocy obliczeniowej. Jednak wraz z rozwojem komputerów kwantowych metody te stają się coraz bardziej podatne na zagrożenia, co wymaga kwantowej dystrybucji klucza (QKD).
QKD to technologia wykorzystująca unikalne właściwości fizyki kwantowej do zabezpieczenia transmisji danych. Metoda ta była przez lata stale optymalizowana, ale utworzenie dużych sieci stanowiło wyzwanie ze względu na ograniczenia istniejących kwantowych źródeł światła.
W nowym artykule na okładce czasopisma opublikowanym w Światło: nauka i zastosowaniezespół naukowców z Niemiec, kierowany przez profesora Fei Dinga z Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze (LUH), profesora Stefana Kücka z Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), profesora Petera Michlera z Uniwersytetu w Stuttgarcie i innych współpracowników, osiągnął pierwszy międzymiastowy eksperyment QKD z deterministycznym źródłem pojedynczych fotonów, rewolucjonizujący sposób, w jaki chronimy nasze poufne informacje przed zagrożeniami cybernetycznymi.
Półprzewodnikowe kropki kwantowe (QD), zwane sztucznymi atomami w świecie kwantowym, wykazują ogromny potencjał oświetlania świateł kwantowych wykorzystywanych w kwantowych technologiach informacyjnych. To przełomowe odkrycie ujawnia wykonalność półprzewodnikowych źródeł pojedynczych fotonów na potrzeby bezpiecznego, kwantowego Internetu na duże odległości w prawdziwym życiu.
Połączenie kwantowe w Niedersachsen
Profesor Fei Ding wyjaśnił: „Pracujemy z kropkami kwantowymi, które są maleńkimi strukturami podobnymi do atomów, ale dostosowanymi do naszych potrzeb. Po raz pierwszy wykorzystaliśmy te „sztuczne atomy” w eksperymencie komunikacji kwantowej między dwoma różnymi miastami. Konfiguracja ta, znana jako „Niedersachsen Quantum Link”, łączy Hanower i Brunszwik za pomocą włókien optycznych.
Eksperyment międzymiastowy przeprowadzany jest w niemieckim kraju związkowym Niedersachsen, w którym rozmieszczone światłowód o długości około 79 km łączy Uniwersytet Leibniza w Hanowerze (LUH) i Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) w Braunschweig. Alice, zlokalizowana w LUH, statycznie przygotowuje pojedyncze fotony, które są szyfrowane w polaryzacji. Bob, znajdujący się w PTB, zawiera pasywny dekoder polaryzacji, który deszyfruje stany polaryzacji odbieranych pojedynczych fotonów przechodzących przez kanały kwantowe oparte na światłowodach. Jest to także pierwsze kwantowe łącze komunikacyjne w Dolnej Saksonii w Niemczech.
Osiągnięto stabilną i bezpieczną transmisję
W rezultacie badaczom udało się osiągnąć stabilną i szybką transmisję tajnych kluczy.
Najpierw sprawdzili, czy określono dodatnie współczynniki tajnego klucza (SKR), które można osiągnąć dla odległości do 144 km, co odpowiada tłumieniu 28,11 dB w laboratorium. W oparciu o wdrożone łącze światłowodowe zapewniono szybką transmisję tajnego klucza z niskim współczynnikiem błędów bitowych (QBER) przez 35 godzin.
„Analiza porównawcza z istniejącymi systemami QKD obejmującymi SPS pokazuje, że SKR osiągnięty w tej pracy wykracza poza wszystkie obecne wdrożenia oparte na SPS. Nawet bez dalszej optymalizacji wydajności źródła i konfiguracji zbliża się do poziomów osiąganych przez ustalone protokoły QKD stanu wabika oparte na słabych, spójnych impulsach. Zauważył pierwszy autor pracy, dr Jingzhong Yang.
Naukowcy spekulują, że QD oferują również ogromne perspektywy w zakresie realizacji innych kwantowych zastosowań internetowych, takich jak wzmacniacze kwantowe i rozproszone wykrywanie kwantowe, ponieważ umożliwiają nieodłączne przechowywanie informacji kwantowej i mogą emitować stany klastrów fotonicznych. Wynik tej pracy podkreśla wykonalność płynnej integracji półprzewodnikowych źródeł pojedynczych fotonów z realistycznymi, wielkoskalowymi i wydajnymi kwantowymi sieciami komunikacyjnymi.
Potrzeba bezpiecznej komunikacji jest tak stara jak sama ludzkość. Komunikacja kwantowa wykorzystuje kwantową charakterystykę światła, aby zapewnić, że wiadomości nie zostaną przechwycone. „Urządzenia z kropkami kwantowymi emitują pojedyncze fotony, które kontrolujemy i wysyłamy do Brunszwiku w celu pomiaru. Proces ten ma fundamentalne znaczenie dla kwantowej dystrybucji klucza” – powiedział Ding. Wyraził swoje podekscytowanie wynikami tego wspólnego wysiłku: „Kilka lat temu tylko marzyliśmy o wykorzystaniu kropek kwantowych w rzeczywistych scenariuszach komunikacji kwantowej. Dziś jesteśmy podekscytowani możliwością zademonstrowania ich potencjału do wielu bardziej fascynujących eksperymentów i zastosowań w przyszłości, zmierzając w kierunku „internetu kwantowego”.
Odniesienie: „Wysokoszybka międzymiastowa dystrybucja klucza kwantowego z półprzewodnikowym źródłem pojedynczego fotonu” autorstwa Jingzhong Yang, Zenghui Jiang, Frederik Benthin, Joscha Hanel, Tom Fandrich, Raphael Joos, Stephanie Bauer, Sascha Kolatschek, Ali Hreibi, Eddy Patrick Rugeramigabo, Michael Jetter, Simone Luca Portalupi, Michael Zopf, Peter Michler, Stefan Kück i Fei Ding, 2 lipca 2024 r., Światło: nauka i zastosowania.
DOI: 10.1038/s41377-024-01488-0
Finansowanie: Niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań (BMBF), SQuaD, SemIQON, Europejska Rada ds. Badań Naukowych, program Unii Europejskiej w zakresie badań i innowacji „Horyzont 2020”, program EMPIR współfinansowany przez państwa uczestniczące oraz z badań i innowacji Unii Europejskiej „Horyzont 2020” program, Deutsche Forschungsgemeinschaft, Niemiecka strategia doskonałości (EXC-2123) Quantum Frontiers, program elastycznych funduszy prowadzony przez Uniwersytet Leibniza w Hanowerze
