In een nieuwe studie, onderzoekers demonstreren een geautomatiseerde, eenvoudig te bedienen Quantum Key Distribution (QKD)-systeem met behulp van het glasvezelnetwerk in de stad Padua, Italië. De veldtest is een belangrijke stap in de richting van de implementatie van deze zeer veilige kwantumcommunicatietechnologie met behulp van het type communicatienetwerken dat al in veel regio's over de hele wereld bestaat.

QKD biedt ondoordringbare codering voor datacommunicatie omdat het de kwantumeigenschappen van licht gebruikt om veilige willekeurige sleutels te genereren voor het coderen en decoderen van gegevens.

"QKD kan nuttig zijn in elke situatie waar beveiliging van het grootste belang is, omdat het onvoorwaardelijke beveiliging biedt voor het sleuteluitwisselingsproces, " zei Marco Avesani van de Università degli Studi di Padova in Italië, co-eerste auteur van de nieuwe studie met Luca Calderaro en Giulio Foletto. "Het kan worden gebruikt voor het versleutelen en authenticeren van gezondheidsgegevens die tussen ziekenhuizen worden verzonden of voor geldoverdrachten tussen banken, bijvoorbeeld."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , onderzoekers onder leiding van Paolo Villoresi en Giuseppe Vallone melden dat hun eenvoudige systeem in de loop van de tijd stabiel is en kwantumveilige cryptografische sleutels kan genereren met aanhoudende snelheden via een standaard telecommunicatie-infrastructuur.

"QKD-systemen vereisen meestal een complex stabilisatiesysteem en extra speciale synchronisatiehardware, " zei Avesani. "We hebben een compleet QKD-systeem ontwikkeld dat direct kan worden gekoppeld aan standaard telecommunicatieapparatuur en geen extra hardware nodig heeft voor synchronisatie. Het systeem past gemakkelijk in de rack-behuizingen die vaak in serverruimtes worden aangetroffen."

Een gebruiksvriendelijk systeem ontwerpen

Om de door QKD vereiste kwantumtoestanden te produceren, de onderzoekers ontwikkelden een nieuwe encoder om de polarisatie van enkele fotonen te manipuleren. De codeur, die de onderzoekers iPOGNAC noemen, biedt een vaste en stabiele polarisatiereferentie die niet vaak opnieuw gekalibreerd hoeft te worden. Deze functie is ook voordelig voor communicatie in de vrije ruimte en satellietkwantum, waar herkalibraties moeilijk uit te voeren zijn.

"Vanwege de technologie die we hebben ontwikkeld, de bron was klaar om kwantumtoestanden te produceren toen we ons systeem van het laboratorium naar de locatie van de veldproef verplaatsten, "zei Calderaro. "We hoefden de langzame, en vaak vatbaar voor mislukking, uitlijningsprocedure vereist voor de meeste QKD-systemen."

De onderzoekers ontwikkelden ook een nieuw synchronisatiealgoritme, die ze noemen

Qubit4Sync, om de machines van de twee QKD-gebruikers te synchroniseren. In plaats van speciale extra hardware en een toegevoegd frequentiekanaal voor synchronisatie te gebruiken, het nieuwe systeem maakt gebruik van software en dezelfde optische signalen die worden gebruikt voor QKD. Dit maakt het systeem kleiner, goedkoper, en gemakkelijker te integreren in een bestaand optisch netwerk.

Om het nieuwe systeem te testen, de onderzoekers brachten hun twee QKD-terminals naar twee universiteitsgebouwen op ongeveer 3,4 km van elkaar in verschillende delen van Padua. Ze sloten de systemen aan op twee ondergrondse glasvezels die deel uitmaken van het communicatienetwerk van de universiteit. Deze vezels ondersteunden het kwantumkanaal met qubits en het klassieke kanaal dat nodig is om aanvullende informatie over te dragen.

Een kwantumbeveiligd videogesprek

"De veldproef was succesvol, " zei Foletto. "We hebben aangetoond dat ons eenvoudige systeem geheime sleutels kan produceren met snelheden van kilobits per seconde en dat het buiten het laboratorium werkt met weinig menselijke tussenkomst. Het was ook gemakkelijk en snel te installeren."

Tijdens een openbare demonstratie de onderzoekers gebruikten hun opstelling om een ​​kwantumbeveiligd videogesprek mogelijk te maken tussen de rector van de Universiteit van Padua en de directeur van de afdeling Wiskunde. De onderzoekers merken op dat de prestaties van het systeem vergelijkbaar zijn met die van andere commerciële QKD-systemen wat betreft het genereren van geheime sleutels, terwijl het ook minder componenten heeft en gemakkelijker te integreren is in een bestaand glasvezelnetwerk.

Ze werken eraan om het detectieapparaat kleiner te maken en het systeem robuuster te maken tegen ruis van ander licht dat door dezelfde vezel reist. De inspanning om een ​​compleet en autonoom QKD-systeem te ontwikkelen leidde tot de oprichting van een spin-off bedrijf genaamd ThinkQuantum s.r.l. die werkt aan het commercialiseren van deze technologie.