Världen är ett steg närmare att ha ett helt säkert internet och ett svar på det växande hotet om cyberattacker, tack vare ett team av internationella forskare som har skapat en unik prototyp som kan förändra hur vi kommunicerar online.

Uppfinningen ledd av University of Bristol, avslöjades idag i tidningen Vetenskapliga framsteg , har potential att betjäna miljontals användare, anses vara det största kvantnätverket någonsin i sitt slag, och kan användas för att säkra människors onlinekommunikation, särskilt i dessa internetledda tider som accelererats av covid-19-pandemin.

Genom att implementera en ny teknik, utnyttja fysikens enkla lagar, det kan göra meddelanden helt säkra från avlyssning samtidigt som den övervinner stora utmaningar som tidigare har begränsat framstegen inom denna lite använda men mycket hypade teknik.

Huvudförfattare Dr Siddarth Joshi, som ledde projektet vid universitetets Quantum Engineering Technology (QET) Labs, sade:"Detta representerar ett massivt genombrott och gör kvante internet till ett mycket mer realistiskt förslag. Tills nu har att bygga ett kvantnätverk har medfört enorma kostnader, tid, och resurs, såväl som att ofta kompromissa med dess säkerhet som motverkar hela syftet."

"Vår lösning är skalbar, relativt billigt och viktigast av allt, ointaglig. Det betyder att det är en spännande spelväxlare och banar väg för mycket snabbare utveckling och utbredd utbyggnad av denna teknik. "

Det nuvarande internet förlitar sig på komplexa koder för att skydda information, men hackare är allt skickligare på att överlista sådana system som leder till cyberattacker över hela världen som orsakar stora integritetsintrång och bedrägerier som når biljoner pund årligen. Med sådana kostnader som förväntas öka dramatiskt, fallet för att hitta ett alternativ är ännu mer övertygande och kvant har i decennier hyllats som den revolutionerande ersättningen till standard krypteringstekniker.

Hittills har fysiker utvecklat en form av säker kryptering, känd som kvantnyckelfördelning, i vilka ljuspartiklar, kallas fotoner, överförs. Processen tillåter två parter att dela, utan risk för avlyssning, en hemlig nyckel som används för att kryptera och dekryptera information. Men hittills har denna teknik bara varit effektiv mellan två användare.

"Hittills har ansträngningarna att utöka nätverket involverat enorm infrastruktur och ett system som kräver skapandet av ytterligare en sändare och mottagare för varje ytterligare användare. Dela meddelanden på detta sätt, känd som betrodda noder, är bara inte tillräckligt bra eftersom den använder så mycket extra hårdvara som kan läcka och inte längre skulle vara helt säker, " sa Dr Joshi.

Teamets kvantteknik tillämpar en till synes magisk princip, kallas förveckling, som Albert Einstein beskrev som "läskig handling på avstånd." Det utnyttjar kraften hos två olika partiklar placerade på separata platser, potentiellt tusentals mil från varandra, att samtidigt härma varandra. Denna process ger mycket större möjligheter för kvantdatorer, sensorer, och informationsbehandling.

"Istället för att behöva replikera hela kommunikationssystemet, denna senaste metod, kallas multiplexering, delar upp ljuspartiklarna, sänds ut av ett enda system, så att de kan tas emot av flera användare effektivt, " sa Dr Joshi.

Teamet skapade ett nätverk för åtta användare med bara åtta mottagarlådor, medan den förstnämnda metoden skulle behöva antalet användare multiplicerat många gånger – i det här fallet, uppgår till 56 lådor. När antalet användare växer, logistiken blir allt mer olämplig – till exempel skulle 100 användare ta 9, 900 mottagarboxar.

För att demonstrera dess funktionalitet över avstånd, mottagarlådorna var anslutna till optiska fibrer via olika platser över Bristol och möjligheten att överföra meddelanden via kvantkommunikation testades med hjälp av stadens befintliga optiska fibernät.

"Förutom att vara helt säker, skönheten i denna nya teknik är dess effektiva smidighet, som kräver minimal hårdvara eftersom den integreras med befintlig teknik, "Dr Joshi sa.

Teamets unika system har också trafikhantering, levererar bättre nätverkskontroll som tillåter, till exempel, vissa användare ska prioriteras med en snabbare anslutning.

Medan tidigare kvantsystem har tagit år att bygga, till en kostnad av miljoner eller till och med miljarder pund, detta nätverk skapades inom några månader för mindre än £300, 000. De ekonomiska fördelarna växer när nätverket expanderar, så medan 100 användare på tidigare kvantsystem kan kosta i storleksordningen 5 miljarder pund, Dr. Joshi tror att multiplexeringsteknik kan sänka det till cirka 4,5 miljoner pund, mindre än 1 procent.

Under de senaste åren har kvantkryptografi framgångsrikt använts för att skydda transaktioner mellan bankcentra i Kina och säkra röster vid ett schweiziskt val. Ändå har dess bredare tillämpning hållits tillbaka av den stora omfattningen av resurser och kostnader som är involverade.

"Med dessa stordriftsfördelar, utsikterna till ett kvantinternet för universell användning är mycket mindre långsökt. Vi har bevisat konceptet och genom att ytterligare förfina våra multiplexeringsmetoder för att optimera och dela resurser i nätverket, vi skulle kunna titta på att betjäna inte bara hundratals eller tusentals, men potentiellt miljontals användare inom en inte alltför avlägsen framtid, " sa Dr Joshi.

"Konsekvenserna av covid-19-pandemin har inte bara visat vikten och potentialen hos internet, och vårt växande beroende av det, men också hur dess absoluta säkerhet är av största vikt. Multiplexförveckling kan ha den avgörande nyckeln till att göra denna säkerhet till en välbehövlig verklighet."