Demonstration der Quantenkommunikation über Glasfasern mit einer Länge von mehr als 600 km

8. Juni 2021

von Toshiba Corporation

Das Cambridge Research Laboratory von Toshiba Europe gab heute die erste Demonstration der Quantenkommunikation über optische Fasern mit einer Länge von mehr als 600 km bekannt. Der Durchbruch wird einen quantengesicherten Informationstransfer über große Entfernungen zwischen Ballungsräumen ermöglichen und ist ein großer Fortschritt beim Aufbau des zukünftigen Quanteninternets.

Der Begriff Quanteninternet beschreibt ein globales Netzwerk von Quantencomputern, die durch Quantenkommunikationsverbindungen über große Entfernungen verbunden sind. Es wird erwartet, dass es die ultraschnelle Lösung komplexer Optimierungsprobleme in der Cloud, ein genaueres globales Zeitsystem und hochsichere Kommunikation rund um den Globus ermöglicht. Mehrere große Regierungsinitiativen zum Aufbau eines Quanteninternets wurden beispielsweise in den USA, der EU und China angekündigt.

Eine der schwierigsten technologischen Herausforderungen beim Aufbau des Quanteninternets ist die Frage, wie Quantenbits über lange optische Fasern übertragen werden können. Kleine Änderungen der Umgebungsbedingungen, wie etwa Temperaturschwankungen, führen dazu, dass sich die Fasern ausdehnen und zusammenziehen, wodurch die fragilen Qubits durcheinander geraten, die als Phasenverzögerung eines schwachen optischen Impulses in der Faser kodiert werden.

Jetzt hat Toshiba Rekordentfernungen für die Quantenkommunikation nachgewiesen, indem es eine neuartige „Dualband“-Stabilisierungstechnik eingeführt hat. Dieser sendet zwei optische Referenzsignale mit unterschiedlichen Wellenlängen, um die Phasenschwankungen auf langen Fasern zu minimieren. Die erste Wellenlänge wird verwendet, um die schnell variierenden Schwankungen auszugleichen, während die zweite Wellenlänge, die dieselbe Wellenlänge wie die optischen Qubits hat, zur Feineinstellung der Phase verwendet wird. Nach dem Einsatz dieser neuen Techniken stellte Toshiba fest, dass es möglich ist, die optische Phase eines Quantensignals auf einen Bruchteil einer Wellenlänge genau konstant zu halten, und zwar mit einer Genauigkeit von 10 Nanometern, selbst nach der Ausbreitung durch Hunderte von Kilometern Glasfaser. Ohne die Aufhebung dieser Schwankungen in Echtzeit würde sich die Faser bei Temperaturänderungen ausdehnen und zusammenziehen und so die Quanteninformation verfälschen.

Die erste Anwendung für die Dualband-Stabilisierung wird die Quantenschlüsselverteilung (QKD) über große Entfernungen sein. Kommerzielle QKD-Systeme sind auf etwa 100–200 km Glasfaser begrenzt. Im Jahr 2018 schlug Toshiba das Twin Field QKD-Protokoll als Möglichkeit zur Vergrößerung der Distanz vor und testete seine Widerstandsfähigkeit gegenüber optischen Verlusten mithilfe von Kurzfasern und Dämpfungsgliedern. Durch die Einführung der Dualband-Stabilisierungstechnik hat Toshiba nun Twin Field QKD auf langen Fasern implementiert und QKD erstmals über 600 km demonstriert.

„Das ist ein sehr spannendes Ergebnis“, kommentiert Mirko Pittaluga, Erstautor des Artikels, der die Ergebnisse beschreibt. „Mit den neuen Techniken, die wir entwickelt haben, sind noch weitere Erweiterungen der Kommunikationsentfernung für QKD möglich und unsere Lösungen können auch auf andere Quantenkommunikationsprotokolle und -anwendungen angewendet werden.“

Andrew Shields, Leiter der Quantum Technology Division bei Toshiba Europe, sagt: „QKD wurde in den letzten Jahren zur Sicherung von Netzwerken in Ballungsgebieten eingesetzt. Dieser neueste Fortschritt erweitert die maximale Spanne einer Quantenverbindung, sodass es möglich ist, Städte miteinander zu verbinden.“ Länder und Kontinente, ohne vertrauenswürdige Zwischenknoten zu verwenden. Zusammen mit Satellite QKD implementiert, wird es uns den Aufbau eines globalen Netzwerks für quantengesicherte Kommunikation ermöglichen.“

Taro Shimada, Corporate Senior Vice President und Chief Digital Officer der Toshiba Corporation, meint: „Mit diesem Erfolg in der Quantentechnologie ist Toshiba bereit, sein Quantengeschäft mit hoher Geschwindigkeit weiter auszubauen. Unsere Vision ist eine Plattform für Quanteninformationstechnologiedienste, die dies ermöglicht.“ ermöglichen nicht nur sichere Kommunikation auf globaler Ebene, sondern auch transformative Technologien wie cloudbasiertes Quantencomputing und verteilte Quantensensorik.“

Die Einzelheiten des Fortschritts werden heute in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht. Die Arbeit wurde teilweise von der EU durch das H2020-Projekt OpenQKD finanziert. Das Team entwickelt derzeit die vorgeschlagenen Lösungen, um deren zukünftige Einführung und Bereitstellung zu vereinfachen.

Diese neueste Entwicklung folgt auf die Ankündigung im vergangenen Jahr, dass BT und Toshiba das erste industrielle quantensichere Netzwerk Großbritanniens installiert hatten. Bei der Übertragung von Daten zwischen dem National Composites Center (NCC) und dem Center for Modeling & Simulation (CFMS) ermöglicht die Multiplexkompatibilität von Toshiba die Übertragung der Daten und Quantenschlüssel auf derselben Faser, sodass keine kostspielige dedizierte Infrastruktur für die Schlüsselverteilung erforderlich ist. Die kombinierte Einführung von Multiplex-QKD unter Nutzung der vorhandenen Infrastruktur für kürzere Entfernungen sowie von Twin Field QKD für längere Entfernungen ebnet den Weg für ein kommerziell realisierbares globales quantensicheres Netzwerk.

Mit QKD können Benutzer vertrauliche Informationen (z. B. Kontoauszüge, Gesundheitsakten, Privatgespräche) sicher über einen nicht vertrauenswürdigen Kommunikationskanal (z. B. das Internet) austauschen. Dies geschieht durch die Verteilung eines gemeinsamen geheimen Schlüssels an die beabsichtigten Benutzer, der zum Verschlüsseln und somit zum Schutz der über den Kommunikationskanal ausgetauschten Informationen verwendet werden kann. Die Sicherheit des geheimen Schlüssels beruht auf den grundlegenden Eigenschaften einzelner Quantensysteme (Photonen, Lichtteilchen), die für die Schlüsselerzeugung kodiert und übertragen werden. Für den Fall, dass diese Photonen von einem unbefugten Benutzer abgefangen werden, garantiert die Quantenphysik, dass die beabsichtigten Benutzer das Abhören wahrnehmen und somit die Kommunikation schützen können.

Im Gegensatz zu anderen existierenden Sicherheitslösungen leitet sich die Sicherheit der Quantenkryptographie direkt von den Gesetzen der Physik ab, die wir zur Beschreibung der Welt um uns herum verwenden, und ist aus diesem Grund sicher gegenüber künftigen Fortschritten in Mathematik und Informatik (einschließlich der Einführung von Quantencomputern). ). Vor diesem Hintergrund wird erwartet, dass QKD ein wesentliches Instrument zum Schutz betriebskritischer Kommunikation für Unternehmen und Regierungen wird.

Mehr Informationen: Mirko Pittaluga et al., 600-km-Repeater-ähnliche Quantenkommunikation mit Dualband-Stabilisierung, Nature Photonics (2021). DOI: 10.1038/s41566-021-00811-0

Zeitschrifteninformationen:Naturphotonik

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