Voor de eerste keer, onderzoekers hebben een kwantumbeveiligd bericht met meer dan één bit informatie per foton door de lucht boven een stad gestuurd. De demonstratie toonde aan dat het ooit praktisch zou kunnen zijn om hoge capaciteit, kwantumcommunicatie in de vrije ruimte om een ​​zeer veilige verbinding te creëren tussen grondnetwerken en satellieten, een vereiste voor het creëren van een wereldwijd kwantumversleutelingsnetwerk.

Quantum-encryptie gebruikt fotonen om informatie te coderen in de vorm van kwantumbits. In zijn eenvoudigste vorm, bekend als 2D-codering, elk foton codeert voor één bit:ofwel een één of een nul. Wetenschappers hebben aangetoond dat een enkel foton nog meer informatie kan coderen - een concept dat bekend staat als hoogdimensionale kwantumversleuteling - maar tot nu toe is dit nooit aangetoond met optische communicatie in de vrije ruimte in reële omstandigheden. Met acht bits die nodig zijn om slechts één letter te coderen, bijvoorbeeld, het inpakken van meer informatie in elk foton zou de gegevensoverdracht aanzienlijk versnellen.

"Ons werk is het eerste dat berichten op een veilige manier verzendt met behulp van hoogdimensionale kwantumversleuteling in realistische stadsomstandigheden, inclusief turbulentie, " zei de onderzoeksteamleider, Ebrahim Karimi, Universiteit van Ottawa, Canada. "De veilige, communicatieschema in de vrije ruimte dat we demonstreerden, zou de aarde mogelijk kunnen verbinden met satellieten, veilig aansluiten op plaatsen waar het te duur is om glasvezel te installeren, of worden gebruikt voor versleutelde communicatie met een bewegend object, zoals een vliegtuig."

Zoals gedetailleerd in optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met hoge impact, de onderzoekers demonstreerden 4D-kwantumcodering over een optisch netwerk in de vrije ruimte dat zich uitstrekt over twee gebouwen met een onderlinge afstand van 0,3 kilometer aan de Universiteit van Ottawa. Dit hoogdimensionale versleutelingsschema wordt 4D genoemd omdat elk foton twee bits informatie codeert, die de vier mogelijkheden van 01 biedt, 10, 00 of 11.

Naast het verzenden van meer informatie per foton, hoogdimensionale kwantumversleuteling kan ook meer signaalverduisterende ruis tolereren voordat de transmissie onveilig wordt. Geluid kan ontstaan ​​door turbulente lucht, defecte elektronica, detectoren die niet goed werken en van pogingen om de gegevens te onderscheppen. "Deze hogere ruisdrempel betekent dat wanneer 2D-kwantumversleuteling faalt, je kunt proberen 4D te implementeren omdat het, in principe, is veiliger en geluidsbestendiger, ' zei Karimi.

Licht gebruiken voor codering

Vandaag, wiskundige algoritmen worden gebruikt om tekstberichten te versleutelen, banktransacties en gezondheidsinformatie. Om deze versleutelde berichten te onderscheppen, moet je het exacte algoritme uitzoeken dat wordt gebruikt om een ​​bepaald stuk gegevens te versleutelen. een prestatie die nu moeilijk is, maar die naar verwachting in de komende tien jaar gemakkelijker zal worden naarmate computers krachtiger worden.

Gezien de verwachting dat de huidige algoritmen in de toekomst mogelijk niet zo goed zullen werken, er komt meer aandacht voor sterkere encryptietechnieken zoals de distributie van kwantumsleutels, die gebruikmaakt van eigenschappen van lichtdeeltjes die bekend staan ​​als kwantumtoestanden om de sleutel te coderen en te verzenden die nodig is om gecodeerde gegevens te decoderen.

Hoewel bekabelde en vrije-ruimte kwantumversleuteling is ingezet op enkele kleine, lokale netwerken, de wereldwijde implementatie ervan vereist het verzenden van gecodeerde berichten tussen grondstations en de op satellieten gebaseerde kwantumcommunicatienetwerken die steden en landen met elkaar zouden verbinden. Horizontale tests door de lucht kunnen worden gebruikt om het verzenden van signalen naar satellieten te simuleren, met ongeveer drie horizontale kilometers is ongeveer gelijk aan het verzenden van het signaal door de atmosfeer van de aarde naar een satelliet.

Voordat u een test van drie kilometer probeert, de onderzoekers wilden kijken of het zelfs mogelijk was om 4D-quantumversleuteling buiten uit te voeren. Men dacht dat dit zo uitdagend was dat sommige andere wetenschappers in het veld zeiden dat het experiment niet zou werken. Een van de belangrijkste problemen waarmee elk experiment in de vrije ruimte wordt geconfronteerd, is het omgaan met luchtturbulentie, die het optische signaal vervormt.

Testen in de echte wereld

Voor de testen, de onderzoekers brachten hun optische laboratoriumopstellingen naar twee verschillende daken en bedekten ze met houten kisten om enige bescherming tegen de elementen te bieden. Na veel vallen en opstaan, ze hebben met succes berichten verzonden die zijn beveiligd met 4D-kwantumcodering via hun intracity-link. De berichten vertoonden een foutenpercentage van 11 procent, onder de drempel van 19 procent die nodig is om een ​​veilige verbinding in stand te houden. Ze vergeleken ook 4D-codering met 2D, dat vinden, na foutcorrectie, ze zouden 1,6 keer meer informatie per foton kunnen verzenden met 4D-kwantumversleuteling, zelfs met turbulentie.

"Nadat we apparatuur hebben meegenomen die normaal gesproken in een schone, geïsoleerde laboratoriumomgeving naar een dak dat is blootgesteld aan de elementen en geen trillingsisolatie heeft, het was zeer de moeite waard om resultaten te zien die aantoonden dat we veilige gegevens konden verzenden, " zei Alicia Sit, een student in Karimi's lab.

Als volgende stap, de onderzoekers zijn van plan hun schema te implementeren in een netwerk dat drie verbindingen omvat die ongeveer 5,6 kilometer van elkaar verwijderd zijn en dat een technologie gebruikt die bekend staat als adaptieve optica om de turbulentie te compenseren. Eventueel, ze willen dit netwerk koppelen aan een netwerk dat nu in de stad bestaat. "Ons doel op lange termijn is om een ​​kwantumcommunicatienetwerk te implementeren met meerdere links, maar met meer dan vier dimensies terwijl we proberen de turbulentie te omzeilen, ' zei Zit.