Budowa bezpiecznych kwantowych sieci łączności
Rozwój komputerów kwantowych sprawia, że konwencjonalne metody szyfrowania stają się coraz bardziej podatne na ataki. Aby zapewnić bezpieczeństwo łączności, należy zastąpić je dystrybucją kluczy kwantowych - technologią, która zabezpiecza przesyłane informacje przed atakami i podsłuchaniem. Opiera się ona na zasadach fizyki kwantowej, na podstawie których zabezpiecza przesyłane dane. Tworzenie rozległych sieci utrudnia jednak fakt istnienia ograniczeń dotyczących istniejących kwantowych źródeł światła. Zespół niemieckich naukowców wspierany częściowo w ramach finansowanych ze środków Unii Europejskiej projektów MiNet i Qurope, a także europejskiego programu na rzecz innowacji i badań w dziedzinie metrologii (EMPIR), przeprowadził pierwszy eksperymentalny test technologii dystrybucji kluczy kwantowych na skalę międzymiastową, wykorzystując deterministyczne źródło pojedynczych fotonów. Jak dowiadujemy się z opracowania wyników opublikowanego na łamach czasopisma naukowego „Light: Science & Applications”, sukces eksperymentu zrewolucjonizuje sposób ochrony poufnych informacji przed cyberzagrożeniami i cyberprzestępcami. „W ramach prac wykorzystujemy kropki kwantowe - niewielkie struktury przypominające atomy, które zostały przystosowane do naszych potrzeb”, wyjaśnia Fei Ding, główny autor badania i pracownik Uniwersytetu im. Leibniza w Hanowerze, uczelni odpowiedzialnej za koordynowanie prac w ramach projektu. Jego wypowiedź została przytoczona w informacji prasowej opublikowanej przez portal Newswise. „Tym razem po raz pierwszy wykorzystaliśmy te sztuczne atomy w doświadczeniu polegającym na ustanowieniu łączności pomiędzy dwoma miastami. Połączenie nazywane «Niedersachsen Quantum Link» opiera się na światłowodzie łączącym Hanower i Brunszwik”, dodaje badacz.
Alice i Bob
Doświadczenie zostało przeprowadzone w Dolnej Saksonii, jednym z niemieckich krajów związkowych. Badacze wykorzystali 79-kilometrowy światłowód łączący Uniwersytet im. Leibniza w Hanowerze i krajowy instytut metrologiczny - Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) - w Brunszwiku. Nadajnik Alice zainstalowany na terenie uczelni, odpowiada za statyczne przygotowanie pojedynczych fotonów zakodowane w czasie polaryzacji. Odbiornik Bob, którego operatorem jest instytut PTB, obejmuje pasywny dekoder polaryzacji pozwalający na odszyfrowanie stanów polaryzacji odebranych pojedynczych fotonów przechodzących przez światłowodowe kanały kwantowe. „Urządzenia wykorzystujące kropki kwantowe emitują pojedyncze fotony, które kontrolujemy i wysyłamy do Brunszwiku w celu pomiaru. Proces ten ma kluczowe znaczenie z punktu widzenia dystrybucji kluczy kwantowych”, zauważa Ding. Badaczom udało się uzyskać szybką i stabilną transmisję kluczy. Tym sposobem po raz pierwszy w historii badacze ustalili, że dodatnie współczynniki tajnych kluczy są możliwe do uzyskania przy odległościach wynoszących nawet 144 kilometry, co odpowiada spadkowi poziomu sygnału na poziomie 28,11 dB w laboratorium. Wykorzystane łącze światłowodowe zapewniało szybką transmisję tajnych kluczy z niskim współczynnikiem błędu bitów kwantowych przez 35 godzin. Jeden z głównych autorów badania, Jingzhong Yang z Uniwersytetu im. Leibniza w Hanowerze, wyjaśnia: „Analiza porównawcza z istniejącymi systemami pozwalającymi na dystrybucję kluczy kwantowych opartymi na źródłach pojedynczych fotonów pokazuje, że uzyskane współczynniki przewyższają wszystkie istniejące rozwiązania oparte na tej technologii. Nawet w przypadku braku dalszej optymalizacji źródła i konfiguracji zbliża się ona do poziomów osiąganych przez uznane protokoły dystrybucji kluczy kwantowych opartych na słabych impulsach koherentnych”. Wyniki badań pokazują, że możliwe jest włączenie półprzewodnikowych źródeł pojedynczych fotonów do realistycznych, wielkoskalowych sieci łączności kwantowej o wysokiej przepustowości. „Zaledwie kilka lat temu marzyliśmy o wykorzystaniu kropek kwantowych w rzeczywistych rozwiązaniach związanych z łącznością kwantową”, zauważa Ding. „Dziś jesteśmy dumni mogąc zaprezentować możliwość ich wykorzystania w wielu innych fascynujących eksperymentach i rozwiązaniach przyszłości, dzięki którym będziemy w stanie stworzyć kwantowy Internet”. Prace realizowane w ramach projektu Qurope (Quantum Repeaters using On-demand Photonic Entanglement) dobiegły końca w lutym 2024 roku. Projekt MiNet (Large-scale multipartite entanglement on a quantum metrology network) dobiegnie końca w 2027 roku. Więcej informacji: projekt MiNet strona projektu Qurope
Słowa kluczowe
MiNet, Qurope, kwantowe, łączność kwantowa, kropka kwantowa, dystrybucja kluczy kwantowych, źródło pojedynczych fotonów, cyberzagrożenie, foton