Het Cambridge Research Laboratory van Toshiba Europe heeft vandaag de eerste demonstratie aangekondigd van kwantumcommunicatie via optische vezels met een lengte van meer dan 600 km. De doorbraak maakt langeafstands-, kwantumbeveiligde informatieoverdracht tussen grootstedelijke gebieden, en is een belangrijke stap vooruit in de richting van het toekomstige kwantuminternet.

De term kwantuminternet beschrijft een wereldwijd netwerk van kwantumcomputers die met elkaar verbonden zijn via langeafstandscommunicatieverbindingen. Verwacht wordt dat het de ultrasnelle oplossing van complexe optimalisatieproblemen in de cloud mogelijk maakt, een nauwkeuriger wereldwijd timingsysteem en zeer veilige communicatie over de hele wereld. Er zijn verschillende grote overheidsinitiatieven aangekondigd om een ​​kwantuminternet te bouwen, bijvoorbeeld, in de VS, EU. en China.

Een van de moeilijkste technologische uitdagingen bij het bouwen van het kwantuminternet, is het probleem hoe kwantumbits over lange optische vezels moeten worden verzonden. Kleine veranderingen in de omgevingsomstandigheden, zoals temperatuurschommelingen, zorgen ervoor dat de vezels uitzetten en samentrekken, daarbij de fragiele qubits door elkaar gooiend, die zijn gecodeerd als een fasevertraging van een zwakke optische puls in de vezel.

Nutsvoorzieningen, Toshiba heeft recordafstanden voor kwantumcommunicatie aangetoond door een nieuwe 'dual band'-stabilisatietechniek te introduceren. Dit stuurt twee optische referentiesignalen op verschillende golflengten om de fasefluctuaties op lange vezels te minimaliseren. De eerste golflengte wordt gebruikt om de snel variërende fluctuaties op te heffen, terwijl de tweede golflengte, op dezelfde golflengte als de optische qubits, wordt gebruikt voor de fijnafstelling van de fase. Na het inzetten van deze nieuwe technieken, Toshiba ontdekte dat het mogelijk is om de optische fase van een kwantumsignaal constant te houden tot op een fractie van een golflengte, met een precisie van 10s van nanometer, zelfs na vermeerdering door honderden kilometers vezel. Zonder deze fluctuaties in realtime te annuleren, de vezel zou uitzetten en krimpen bij temperatuurveranderingen, het door elkaar gooien van de kwantuminformatie.

De eerste toepassing voor dual-band stabilisatie is voor lange afstand Quantum Key Distribution (QKD). Commerciële QKD-systemen zijn beperkt tot ongeveer 100-200 km glasvezel. in 2018, Toshiba stelde het Twin Field QKD-protocol voor als een manier om de afstand te vergroten, en testte zijn veerkracht tegen optisch verlies met behulp van korte vezels en verzwakkers. Door de introductie van de dual-band stabilisatietechniek, Toshiba heeft nu Twin Field QKD geïmplementeerd op lange vezels en QKD gedemonstreerd over 600 km, Voor de eerste keer.

"Dit is een heel spannend resultaat, " zegt Mirko Pittaluga, eerste auteur van het artikel waarin de resultaten worden beschreven. "Met de nieuwe technieken die we hebben ontwikkeld, verdere uitbreidingen van de communicatieafstand voor QKD zijn nog steeds mogelijk en onze oplossingen kunnen ook worden toegepast op andere kwantumcommunicatieprotocollen en -toepassingen."

Andrew Schilden, hoofd van de Quantum Technology Division bij Toshiba Europe, zegt, "QKD is de afgelopen jaren gebruikt om metropolitane gebiedsnetwerken te beveiligen. Deze nieuwste vooruitgang verlengt de maximale spanwijdte van een kwantumverbinding, zodat het mogelijk is om steden over landen en continenten met elkaar te verbinden, zonder gebruik te maken van vertrouwde tussenliggende knooppunten. Geïmplementeerd samen met Satellite QKD, het zal ons in staat stellen een wereldwijd netwerk te bouwen voor kwantumbeveiligde communicatie."

Taro Shimada, corporate senior vice president en chief digital officer van Toshiba Corporation weerspiegelt, "Met dit succes in Quantum Technology, Toshiba is bereid zijn kwantumactiviteiten met hoge snelheid verder uit te breiden. Onze visie is een platform voor kwantuminformatietechnologiediensten, die niet alleen veilige communicatie op wereldschaal mogelijk maakt, maar ook transformationele technologieën zoals cloudgebaseerde kwantumcomputing en gedistribueerde kwantumdetectie."

De details van de vooruitgang worden vandaag gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift, Natuurfotonica . Het werk werd gedeeltelijk gefinancierd door de EU via het H2020-project, QKD openen. Het team is nu bezig met het ontwikkelen van de voorgestelde oplossingen om hun toekomstige acceptatie en implementatie te vereenvoudigen.

Deze nieuwste ontwikkeling volgt op de aankondiging vorig jaar dat BT en Toshiba het eerste industriële kwantumveilige netwerk in het VK hadden geïnstalleerd. Gegevens verzenden tussen het National Composites Centre (NCC) en het Center for Modeling &Simulation (CFMS), Dankzij de multiplexcompatibiliteit van Toshiba kunnen de gegevens en de kwantumsleutels op dezelfde vezel worden verzonden, het elimineren van de noodzaak van dure speciale infrastructuur voor sleuteldistributie. De gecombineerde komst van gemultiplexte QKD met gebruikmaking van bestaande infrastructuur voor kortere afstanden, naast Twin Field QKD voor langere afstanden, maakt de weg vrij voor een commercieel levensvatbaar wereldwijd kwantumveilig netwerk.

Met QKD kunnen gebruikers vertrouwelijke informatie (zoals bankafschriften, gezondheidsdossiers, privégesprekken) via een niet-vertrouwd communicatiekanaal (zoals internet). Het doet dat door aan de beoogde gebruikers een gemeenschappelijke geheime sleutel te distribueren die kan worden gebruikt om te coderen, en zo beschermen, de informatie die via het communicatiekanaal wordt uitgewisseld. De veiligheid van de geheime sleutel berust op de fundamentele eigenschappen van individuele kwantumsystemen (fotonen, de lichtdeeltjes) die worden gecodeerd en verzonden voor de sleutelgeneratie. In het geval dat deze fotonen worden onderschept door een niet-aangewezen gebruiker, kwantumfysica garandeert dat de beoogde gebruikers het afluisteren, en daarmee de communicatie te beschermen.

In tegenstelling tot andere bestaande beveiligingsoplossingen, de veiligheid van kwantumcryptografie vloeit rechtstreeks voort uit de natuurwetten die we gebruiken om de wereld om ons heen te beschrijven, en om deze reden, het is beveiligd tegen elke toekomstige vooruitgang in wiskunde en informatica (inclusief de komst van kwantumcomputers). In het licht hiervan, QKD zal naar verwachting een essentieel hulpmiddel worden voor het beschermen van bedrijfskritieke communicatie voor bedrijven en overheden.