Ett gemensamt Kina-Österrike-team har utfört kvantnyckeldistribution mellan kvantvetenskapliga satelliten Micius och flera markstationer i Xinglong (nära Peking), Nanshan (nära Urumqi), och Graz (nära Wien). Sådana experiment visar det säkra satellit-till-mark-utbytet av kryptografiska nycklar under passagen av satelliten Micius över en markstation. Använda Micius som ett pålitligt relä, en hemlig nyckel skapades mellan Kina och Europa på platser separerade upp till sju, 600 km på jorden.

Privat och säker kommunikation är grundläggande för Internetanvändning och e-handel, och det är viktigt att etablera ett säkert nätverk med globalt skydd av data. Traditionell offentlig nyckelkryptografi förlitar sig vanligtvis på beräkningsmässiga svårigheter för vissa matematiska funktioner. I kontrast, quantum key distribution (QKD) använder individuella ljuskvanta (enstaka fotoner) i kvantöverlagringslägen för att garantera ovillkorlig säkerhet mellan avlägsna parter. Tidigare, kvantkommunikationsavståndet har begränsats till några hundra kilometer på grund av optiska kanalförluster av fibrer eller markfritt ledigt utrymme. En lovande lösning på detta problem utnyttjar satellit- och rymdbaserade länkar, som bekvämt kan ansluta två avlägsna punkter på jorden med kraftigt minskad kanalförlust, eftersom de flesta av fotonernas förökningsväg är genom tomt utrymme med försumbar förlust och dekoherens.

Ett tvärvetenskapligt multinstitutionellt team av forskare från Chinese Academy of Sciences, ledd av professor Jian-Wei Pan, har ägnat mer än 10 år åt att utveckla en sofistikerad satellit, Micius, tillägnad kvantvetenskapliga experiment, som sjösattes i augusti 2016 och kretsar runt ~ 500 km. Fem markstationer i Kina samordnar med Micius -satelliten. Dessa ligger i Xinglong (nära Peking), Nanshan (nära Urumqi), Delingha (37 ° 22'44.43''N, 97 ° 43'37.01 "E), Lijiang (26 ° 41'38.15''N, 100 ° 1'45.55''E), och Ngari i Tibet (32 ° 19'30.07''N, 80°1'34,18''E).

Inom ett år efter lanseringen, tre viktiga milstolpar för ett globalt kvantinternet uppnåddes:satellit-till-mark lockbete-tillstånd QKD med kHz-hastighet över ett avstånd på ~1200 km (Liao et al. 2017, Natur 549, 43); satellitbaserad förträngningsfördelning till två platser på jorden åtskilda med ~ 1200 km och Bell-test (Yin et al. 2017, Science 356, 1140), och kvantteleportation från mark till satellit (Ren et al. 2017, Natur 549, 70). Den effektiva länkeffektiviteten i den satellitbaserade QKD uppmättes till att vara ~20 storleksordningar större än direkt överföring genom optiska fibrer vid samma längd av 1200 km. De tre experimenten är de första stegen mot ett globalt rymdbaserat kvantinternet.

Den satellitbaserade QKD har nu kombinerats med storstads kvantnät, där fibrer används för att effektivt och bekvämt koppla samman många användare i en stad över en avståndsskala på ~100 km. Till exempel, Xinglong-stationen har nu anslutits till det metropolitiska kvantnätet med flera noder i Peking via optiska fibrer. Väldigt nyligen, den största fiberbaserade kvantkommunikationsstommen har byggts i Kina, även av professor Pans team, kopplar Peking till Shanghai (går genom Jinan och Hefei, och 32 pålitliga reläer) med en fiberlängd på 2000 km. Ryggraden testas för verkliga applikationer av regeringen, banker, värdepappers- och försäkringsbolag.

Micius-satelliten kan utnyttjas ytterligare som ett pålitligt relä för att enkelt ansluta två punkter på jorden för högsäkerhetsnyckelutbyte. För att ytterligare demonstrera Micius -satelliten som en robust plattform för kvantnyckeldistribution med olika markstationer på jorden, QKD från Micius -satelliten till Garz -markstationen nära Wien har också utförts framgångsrikt i juni i samarbete med professor Anton Zeilinger från österrikiska vetenskapsakademin. Satelliten upprättar således en säker nyckel mellan sig själv och säga, Xinglong, och en annan nyckel mellan sig själv och, säga, Graz. Sedan, på begäran från markledningsstationerna, Micius fungerar som en pålitlig stafett. Den utför bitvis exklusiva ELLER-operationer mellan de två nycklarna och vidarebefordrar resultatet till en av markstationerna. På det sättet, en hemlig nyckel skapas mellan Kina och Europa på platser åtskilda av 7600 km på jorden. Detta arbete pekar mot en effektiv lösning för ett ultralångdistans globalt kvantnätverk.

En bild av Micius (med en storlek på 5,34 kB) överfördes från Peking till Wien, och en bild på Schrödinger (med en storlek på 4,9 kB) från Wien till Peking, med cirka 80 kbit säker kvantnyckel för engångskodning.

En interkontinental videokonferens hölls också mellan den kinesiska vetenskapsakademien och Österrikes vetenskapsakademi, med hjälp av Advanced Encryption Standard (AES) -128-protokollet som uppdaterade 128-bitars seed-nycklarna varje sekund. Videokonferensen varade i 75 minuter med en total dataöverföring på ~2 GB, som inkluderade? 560 kbit av kvantnyckeln som utbyttes mellan Österrike och Kina. Studien kommer att publiceras i Fysiska granskningsbrev .