Een gezamenlijk China-Oostenrijk team heeft de distributie van kwantumsleutels uitgevoerd tussen de kwantumwetenschapssatelliet Micius en meerdere grondstations in Xinglong (nabij Peking), Nanshan (in de buurt van Urumqi), en Graz (bij Wenen). Dergelijke experimenten demonstreren de veilige satelliet-naar-grond uitwisseling van cryptografische sleutels tijdens de passage van de satelliet Micius over een grondstation. Micius gebruiken als een vertrouwd relais, er is een geheime sleutel gemaakt tussen China en Europa op locaties die tot 7 van elkaar zijn gescheiden, 600 km op aarde.

Privé en beveiligde communicatie zijn van fundamenteel belang voor internetgebruik en e-commerce, en het is belangrijk om een ​​veilig netwerk op te zetten met wereldwijde gegevensbescherming. Traditionele cryptografie met openbare sleutels is meestal afhankelijk van de rekenkracht van bepaalde wiskundige functies. In tegenstelling tot, kwantumsleuteldistributie (QKD) maakt gebruik van individuele lichtquanta (enkele fotonen) in kwantumsuperpositietoestanden om onvoorwaardelijke veiligheid tussen verre partijen te garanderen. Eerder, de kwantumcommunicatieafstand is beperkt tot een paar honderd kilometer vanwege optische kanaalverliezen van vezels of terrestrische vrije ruimte. Een veelbelovende oplossing voor dit probleem maakt gebruik van satelliet- en ruimtegebaseerde verbindingen, die gemakkelijk twee afgelegen punten op de aarde kan verbinden met sterk verminderd kanaalverlies, aangezien het grootste deel van het voortplantingspad van de fotonen door lege ruimte gaat met verwaarloosbaar verlies en decoherentie.

Een interdisciplinair multi-institutioneel team van wetenschappers van de Chinese Academie van Wetenschappen, onder leiding van professor Jian-Wei Pan, heeft meer dan 10 jaar besteed aan het ontwikkelen van een geavanceerde satelliet, Michius, gewijd aan kwantumwetenschappelijke experimenten, die werd gelanceerd in augustus 2016 en draait op een hoogte van ~500 km. Vijf grondstations in China coördineren met de Micius-satelliet. Deze bevinden zich in Xinglong (nabij Peking), Nanshan (in de buurt van Urumqi), Delingha (37°22'44.43''N, 97°43'37.01"E), Lijiang (26°41'38.15''N, 100°1'45.55''E), en Ngari in Tibet (32°19'30.07''N, 80°1'34.18''E).

Binnen een jaar na de lancering, drie belangrijke mijlpalen voor een kwantuminternet op wereldschaal werden bereikt:satelliet-naar-grond loktoestand QKD met een kHz-snelheid over een afstand van ~1200 km (Liao et al. 2017, Natuur 549, 43); op satellieten gebaseerde verstrengelingsdistributie naar twee locaties op aarde, gescheiden door ~1200 km en Bell-test (Yin et al. 2017, Wetenschap 356, 1140), en grond-naar-satelliet kwantumteleportatie (Ren et al. 2017, Natuur 549, 70). De effectieve verbindingsefficiëntie in de op satellieten gebaseerde QKD werd gemeten als ~ 20 orden van grootte groter dan directe transmissie via optische vezels op dezelfde lengte van 1200 km. De drie experimenten zijn de eerste stappen naar een wereldwijd op de ruimte gebaseerd kwantuminternet.

De op satellieten gebaseerde QKD is nu gecombineerd met grootstedelijke kwantumnetwerken, waarin vezels worden gebruikt om op efficiënte en gemakkelijke wijze een groot aantal gebruikers binnen een stad met elkaar te verbinden over een afstandsschaal van ~100 km. Bijvoorbeeld, het Xinglong-station is nu via optische vezels verbonden met het grootstedelijke kwantumnetwerk met meerdere knooppunten in Beijing. Zeer onlangs, de grootste op glasvezel gebaseerde kwantumcommunicatie-backbone is gebouwd in China, ook door het team van professor Pan, tussen Beijing en Shanghai (via Jinan en Hefei, en 32 betrouwbare relais) met een vezellengte van 2000 km. De ruggengraat wordt getest voor real-world toepassingen door de overheid, banken, effecten- en verzekeringsmaatschappijen.

De Micius-satelliet kan verder worden gebruikt als een betrouwbaar relais om gemakkelijk twee willekeurige punten op aarde met elkaar te verbinden voor een zeer veilige sleuteluitwisseling. Om de Micius-satelliet verder te demonstreren als een robuust platform voor de distributie van kwantumsleutels met verschillende grondstations op aarde, QKD van de Micius-satelliet naar het Garz-grondstation bij Wenen is in juni ook met succes uitgevoerd in samenwerking met professor Anton Zeilinger van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen. De satelliet brengt dus een veilige sleutel tot stand tussen zichzelf en, zeggen, Xinglong, en een andere sleutel tussen zichzelf en, zeggen, Graz. Vervolgens, op verzoek van de grondcommando's, Micius fungeert als een vertrouwd relais. Het voert bitsgewijze exclusieve OF-bewerkingen uit tussen de twee sleutels en geeft het resultaat door aan een van de grondstations. Op die manier, er wordt een geheime sleutel gecreëerd tussen China en Europa op locaties die 7600 km van elkaar verwijderd zijn op aarde. Dit werk wijst in de richting van een efficiënte oplossing voor een wereldwijd kwantumnetwerk over ultralange afstand.

Een foto van Micius (met een grootte van 5,34 kB) werd verzonden van Peking naar Wenen, en een foto van Schrödinger (met een grootte van 4,9 kB) van Wenen naar Peking, gebruikmakend van een beveiligde kwantumsleutel van ongeveer 80 kbit voor eenmalige codering.

Er werd ook een intercontinentale videoconferentie gehouden tussen de Chinese Academie van Wetenschappen en de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen, gebruikmakend van het Advanced Encryption Standard (AES)-128-protocol dat elke seconde de 128-bits seed-sleutels ververst. De videoconferentie duurde 75 minuten met een totale gegevensoverdracht van ~2 GB, waaronder 560 kbit van de kwantumsleutel die tussen Oostenrijk en China werd uitgewisseld. Het onderzoek wordt gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .