In een nieuwe studie, onderzoekers demonstreren metingen op de grond van kwantumtoestanden die door een laser aan boord van een satelliet worden verzonden 38, 000 kilometer boven de aarde. Dit is de eerste keer dat kwantumtoestanden zo nauwkeurig van zo ver weg zijn gemeten.

"We waren behoorlijk verrast door hoe goed de kwantumtoestanden de reis door de atmosferische turbulentie naar een grondstation overleefden, " zei Christoph Marquardt van het Max Planck Institute for the Science of Light, Duitsland. "De paper laat zien dat technologie op satellieten, al ruimtebestendig tegen strenge milieutests, kan worden gebruikt om kwantumbeperkte metingen te bereiken, waardoor een satelliet-kwantumcommunicatienetwerk mogelijk wordt. Dit scheelt enorm in de ontwikkeltijd, wat betekent dat het mogelijk zou kunnen zijn om zo'n systeem al over vijf jaar te hebben."

Een op satellieten gebaseerd, op kwantum gebaseerd versleutelingsnetwerk zou een uiterst veilige manier bieden om gegevens die over lange afstanden worden verzonden, te versleutelen. Het ontwikkelen van een dergelijk systeem in slechts vijf jaar is een extreem snelle tijdlijn, aangezien de meeste satellieten ongeveer 10 jaar ontwikkeling vergen. Normaal gesproken, elk onderdeel - van computers tot schroeven - moet worden getest en goedgekeurd om te werken in de barre omgevingsomstandigheden van de ruimte en moet de zwaartekrachtveranderingen die tijdens de lancering worden ervaren, overleven.

Marquardt en zijn collega's van de afdeling Gerd Leuchs van het Max Planck Instituut in Erlangen rapporteren hun nieuwe onderzoek in optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met een hoge impact.

Licht gebruiken om gegevens veilig te houden

Vandaag, tekstberichten, banktransacties en gezondheidsinformatie worden allemaal versleuteld met technieken op basis van wiskundige algoritmen. Deze aanpak werkt omdat het extreem moeilijk is om het exacte algoritme te achterhalen dat wordt gebruikt om een ​​bepaald stuk gegevens te versleutelen. Echter, experts zijn van mening dat computers die krachtig genoeg zijn om deze coderingscodes te kraken waarschijnlijk in de komende 10 tot 20 jaar beschikbaar zullen zijn.

De dreigende veiligheidsdreiging heeft meer aandacht geschonken aan het implementeren van sterkere versleutelingstechnieken, zoals de distributie van kwantumsleutels. In plaats van te vertrouwen op wiskunde, kwantumsleuteldistributie gebruikt eigenschappen van lichtdeeltjes die bekend staan ​​als kwantumtoestanden om de sleutel te coderen en te verzenden die nodig is om gecodeerde gegevens te decoderen. Als iemand de lichtdeeltjes probeert te meten om de sleutel te stelen, het verandert het gedrag van de deeltjes op een manier die de beoogde communicerende partijen waarschuwt dat de sleutel is gecompromitteerd en niet mag worden gebruikt. Doordat dit systeem afluisteren detecteert, is veilige communicatie gegarandeerd.

Hoewel methoden voor kwantumversleuteling al meer dan tien jaar in ontwikkeling zijn, ze werken niet over lange afstanden omdat restlichtverliezen in optische vezels die worden gebruikt voor telecommunicatienetwerken op de grond de gevoelige kwantumsignalen degraderen. Quantumsignalen kunnen ook niet worden geregenereerd zonder hun eigenschappen te veranderen door optische versterkers te gebruiken, zoals dat wordt gedaan voor klassieke optische gegevens. Om deze reden, er is recentelijk druk uitgeoefend om een ​​op satellieten gebaseerd kwantumcommunicatienetwerk te ontwikkelen om op de grond gebaseerde kwantumcoderingsnetwerken in verschillende grootstedelijke gebieden te verbinden, landen en continenten.

Hoewel de nieuwe bevindingen aantoonden dat kwantumcommunicatiesatellietnetwerken niet helemaal opnieuw hoeven te worden ontworpen, Marquardt merkt op dat het nog 5 tot 10 jaar zal duren om op de grond gebaseerde systemen om te zetten in op kwantum gebaseerde codering om kwantumtoestanden met de satellieten te communiceren.

Quantumtoestanden meten

Voor de experimenten, Het team van Marquardt werkte nauw samen met het satelliettelecommunicatiebedrijf Tesat-Spacecom GmbH en de Duitse ruimtevaartadministratie. De Duitse ruimtevaartadministratie heeft eerder een contract gesloten met Tesat-Spacecom namens het Duitse ministerie van Economie en Energie om een ​​optische communicatietechnologie voor satellieten te ontwikkelen. Deze technologie wordt nu commercieel gebruikt in de ruimte door lasercommunicatieterminals aan boord van Copernicus - het aardobservatieprogramma van de Europese Unie - en door SpaceDataHighway, het Europese datarelaissatellietsysteem.

Het bleek dat deze optische satellietcommunicatietechnologie ongeveer hetzelfde werkt als de kwantumsleuteldistributiemethode die is ontwikkeld aan het Max Planck Institute. Dus, de onderzoekers besloten om te kijken of het mogelijk was om kwantumtoestanden te meten die zijn gecodeerd in een laserstraal die wordt verzonden door een van de satellieten die zich al in de ruimte bevinden. In 2015 en begin 2016 het team deed deze metingen vanaf een grondstation van het Observatorium Teide in Tenerife, Spanje. Ze creëerden kwantumtoestanden in een bereik waar de satelliet normaal niet werkt en waren in staat om kwantumbeperkte metingen vanaf de grond te doen.

"Van onze metingen, we zouden kunnen afleiden dat het licht dat naar de aarde reist zeer geschikt is om te worden gebruikt als een distributienetwerk voor kwantumsleutels, "Zei Marquardt. "We waren verrast omdat het systeem hier niet voor gebouwd was. De ingenieurs hadden uitstekend werk geleverd bij het optimaliseren van het hele systeem."

De onderzoekers werken nu samen met Tesat-Spacecom en anderen in de ruimtevaartindustrie om een ​​geüpgraded systeem te ontwerpen op basis van de hardware die al in de ruimte wordt gebruikt. Dit vereist een upgrade van het ontwerp van de lasercommunicatie, met een op kwantum gebaseerde generator voor willekeurige getallen om de willekeurige sleutels te maken en de naverwerking van de sleutels te integreren.

"Er is serieuze interesse van de ruimtevaartindustrie en andere organisaties om onze wetenschappelijke bevindingen te implementeren, "zei Marquardt. "Wij, als fundamentele wetenschappers, werken nu samen met ingenieurs om het beste systeem te creëren en ervoor te zorgen dat geen enkel detail over het hoofd wordt gezien."