I en ny studie, forskare visar markbaserade mätningar av kvanttillstånd som skickas av en laser ombord på en satellit 38, 000 kilometer över jorden. Detta är första gången som kvanttillstånd har mätts så noga så långt bort.

"Vi blev ganska förvånade över hur väl kvanttillstånden överlevde att resa genom den atmosfäriska turbulensen till en markstation, "sa Christoph Marquardt från Max Planck Institute for the Science of Light, Tyskland. "Tidningen visar att teknik på satelliter, redan rymdskyddad mot allvarliga miljötester, kan användas för att uppnå kvantbegränsade mätningar, vilket möjliggör ett satellitkvantkommunikationsnätverk. Detta minskar kraftigt i utvecklingstiden, vilket innebär att det kan vara möjligt att ha ett sådant system så snart som fem år från nu. "

Ett satellitbaserat kvantbaserat krypteringsnätverk skulle ge ett extremt säkert sätt att kryptera data som skickas över långa avstånd. Att utveckla ett sådant system på bara fem år är en extremt snabb tidslinje eftersom de flesta satelliter kräver cirka 10 års utveckling. I vanliga fall, varje komponent - från datorer till skruvar - måste testas och godkännas för att fungera under de tuffa miljöförhållandena i rymden och måste överleva de gravitationella förändringar som upplevdes under lanseringen.

Marquardt och hans kollegor från divisionen Gerd Leuchs vid Max Planck Institute i Erlangen rapporterar om sin nya forskning inom Optica , The Optical Society's journal for high impact research.

Använd ljus för att hålla data säkra

I dag, textmeddelanden, banktransaktioner och hälsoinformation är alla krypterade med tekniker baserade på matematiska algoritmer. Detta tillvägagångssätt fungerar eftersom det är extremt svårt att räkna ut den exakta algoritmen som används för att kryptera en viss bit data. Dock, experter tror att datorer som är tillräckligt kraftfulla för att knäcka dessa krypteringskoder sannolikt kommer att finnas tillgängliga under de närmaste 10 till 20 åren.

Det hotande säkerhetshotet har lagt mer uppmärksamhet på att implementera starkare krypteringstekniker som kvantnyckeldistribution. Istället för att förlita sig på matematik, kvantnyckeldistribution använder egenskaper hos ljuspartiklar som kallas kvanttillstånd för att koda och skicka nyckeln som behövs för att dekryptera kodad data. Om någon försöker mäta ljuspartiklarna för att stjäla nyckeln, det förändrar partiklarnas beteende på ett sätt som varnar de avsedda kommunicerande parterna om att nyckeln har äventyrats och inte ska användas. Det faktum att detta system upptäcker avlyssning innebär att säker kommunikation garanteras.

Även om metoder för kvantkryptering har utvecklats i mer än ett decennium, de fungerar inte över långa sträckor eftersom kvarvarande ljusförluster i optiska fibrer som används för telekommunikationsnät på marken försämrar de känsliga kvantsignalerna. Kvantsignaler kan inte också återskapas utan att deras egenskaper ändras genom att stämma optiska förstärkare som det görs för klassiska optiska data. Av denna anledning, det har nyligen drivits för att utveckla ett satellitbaserat kvantkommunikationsnätverk för att länka markbaserade kvantkrypteringsnätverk i olika storstadsområden, länder och kontinenter.

Även om de nya resultaten visade att satellitnät för kvantkommunikation inte behöver utformas från grunden, Marquardt noterar att det fortfarande kommer att ta 5 till 10 år att konvertera markbaserade system till kvantbaserad kryptering för att kommunicera kvanttillstånd med satelliterna.

Mätning av kvanttillstånd

För experimenten, Marquardts team arbetade nära med satellittelekommunikationsföretaget Tesat-Spacecom GmbH och den tyska rymdförvaltningen. Den tyska rymdförvaltningen har tidigare ingått avtal med Tesat-Spacecom på uppdrag av det tyska ekonomi- och energiministeriet för att utveckla optisk kommunikationsteknik för satelliter. Denna teknik används nu kommersiellt i rymden av laserkommunikationsterminaler ombord på Copernicus - Europeiska unionens jordobservationsprogram - och av SpaceDataHighway, det europeiska datarelaysatellitsystemet.

Det visade sig att denna satellitoptiska kommunikationsteknik fungerar ungefär som kvantnyckeldistributionsmetoden som utvecklats vid Max Planck Institute. Således, forskarna bestämde sig för att se om det var möjligt att mäta kvanttillstånd kodade i en laserstråle skickad från en av satelliterna redan i rymden. Under 2015 och början av 2016, laget gjorde dessa mätningar från en markbaserad station vid Teide-observatoriet på Teneriffa, Spanien. De skapade kvanttillstånd inom ett område där satelliten normalt inte fungerar och kunde göra kvantbegränsade mätningar från marken.

"Från våra mätningar, vi skulle kunna dra slutsatsen att ljuset som färdas ner till jorden är mycket väl lämpligt att fungera som ett kvantnyckeldistributionsnät, "Marquardt sa." Vi blev förvånade eftersom systemet inte var byggt för detta. Ingenjörerna hade gjort ett utmärkt jobb med att optimera hela systemet. "

Forskarna arbetar nu med Tesat-Spacecom och andra inom rymdindustrin för att designa ett uppgraderat system baserat på hårdvaran som redan används i rymden. Detta kommer att kräva uppgradering av laserkommunikationsdesignen, införliva en kvantbaserad slumptalsgenerator för att skapa slumpmässiga nycklar och integrera efterbearbetning av nycklarna.

"Det finns ett stort intresse från rymdindustrin och andra organisationer för att genomföra våra vetenskapliga fynd, "sa Marquardt." Vi, som grundforskare, arbetar nu med ingenjörer för att skapa det bästa systemet och se till att inga detaljer förbises. "