Cambridge Research Laboratory i Toshiba Europe tillkännagav idag den första demonstrationen av kvantkommunikation över optiska fibrer som är längre än 600 km. Genombrottet kommer att möjliggöra långdistans, kvantsäkrad informationsöverföring mellan storstadsområden, och är ett stort framsteg mot att bygga framtidens kvantinternet.

Termen kvantinternet beskriver ett globalt nätverk av kvantdatorer som är sammankopplade med långväga kvantkommunikationslänkar. Det förväntas möjliggöra ultrasnabb lösning av komplexa optimeringsproblem i molnet, ett mer exakt globalt tidsystem och mycket säker kommunikation över hela världen. Flera stora statliga initiativ för att bygga ett kvantinternet har aviserats, till exempel, i USA., E.U. och Kina.

En av de svåraste tekniska utmaningarna i att bygga kvantinternet, är problemet med hur man överför kvantbitar över långa optiska fibrer. Små förändringar i omgivningsförhållandena, som temperaturfluktuationer, få fibrerna att expandera och dra ihop sig, och därmed förvränga de ömtåliga qubits, som är kodade som en fasfördröjning av en svag optisk puls i fibern.

Nu, Toshiba har visat rekordavstånd för kvantkommunikation genom att introducera en ny "dual band" stabiliseringsteknik. Detta skickar två optiska referenssignaler vid olika våglängder för att minimera fasfluktuationerna på långa fibrer. Den första våglängden används för att eliminera de snabbt varierande fluktuationerna, medan den andra våglängden, på samma våglängd som de optiska qubits, används för finjustering av fasen. Efter att ha implementerat dessa nya tekniker, Toshiba fann att det är möjligt att hålla den optiska fasen av en kvantsignal konstant inom en bråkdel av en våglängd, med en precision på 10s nanometer, även efter förökning genom 100-tals km fiber. Utan att avbryta dessa fluktuationer i realtid, fibern skulle expandera och dra ihop sig med temperaturförändringar, förvränga kvantinformationen.

Den första applikationen för dubbelbandsstabilisering kommer att vara för långdistans Quantum Key Distribution (QKD). Kommersiella QKD-system är begränsade till cirka 100-200 km fiber. Under 2018, Toshiba föreslog Twin Field QKD-protokollet som ett sätt att utöka avståndet, och testade dess motståndskraft mot optisk förlust med korta fibrer och dämpare. Genom att introducera dubbelbandsstabiliseringstekniken, Toshiba har nu implementerat Twin Field QKD på långa fibrer och demonstrerat QKD över 600 km, för första gången.

"Det här är ett mycket spännande resultat, " kommenterar Mirko Pittaluga, första författaren till artikeln som beskriver resultaten. "Med de nya tekniker vi har utvecklat, Ytterligare förlängningar av kommunikationsavståndet för QKD är fortfarande möjliga och våra lösningar kan även appliceras på andra kvantkommunikationsprotokoll och applikationer."

Andrew Shields, chef för Quantum Technology Division på Toshiba Europe, säger, "QKD har använts för att säkra storstadsnätverk under de senaste åren. Detta senaste framsteg utökar det maximala spannet för en kvantlänk, så att det är möjligt att koppla samman städer över länder och kontinenter, utan att använda betrodda mellannoder. Implementerad tillsammans med Satellite QKD, det kommer att tillåta oss att bygga ett globalt nätverk för kvantsäkrad kommunikation."

Taro Shimada, Corporate Senior Vice President och Chief Digital Officer för Toshiba Corporation speglar, "Med denna framgång inom Quantum Technology, Toshiba är villig att ytterligare expandera sin kvantverksamhet med snabb hastighet. Vår vision är en plattform för kvantinformationsteknologitjänster, som inte bara kommer att möjliggöra säker kommunikation på global skala, men också transformerande teknologier som molnbaserad kvantberäkning och distribuerad kvantavkänning."

Detaljerna om framsteg publiceras idag i den vetenskapliga tidskriften, Nature Photonics . Arbetet finansierades delvis av EU genom H2020-projektet, ÖppnaQKD. Teamet utvecklar nu de föreslagna lösningarna för att förenkla deras framtida användning och implementering.

Den senaste utvecklingen följer på tillkännagivandet förra året att BT och Toshiba hade installerat Storbritanniens första industriella kvantsäkra nätverk. Överföra data mellan National Composites Center (NCC) och Center for Modeling &Simulation (CFMS), Toshibas multiplexkompatibilitet gör att data och kvantnycklar kan överföras på samma fiber, eliminerar behovet av kostsam dedikerad infrastruktur för nyckeldistribution. Den kombinerade ankomsten av multiplexerad QKD med hjälp av befintlig infrastruktur för kortare avstånd, vid sidan av Twin Field QKD för längre sträckor, banar väg för ett kommersiellt gångbart globalt kvantsäkert nätverk.

QKD tillåter användare att säkert utbyta konfidentiell information (såsom kontoutdrag, hälsojournaler, privata samtal) över en opålitlig kommunikationskanal (som internet). Det gör det genom att distribuera till de avsedda användarna en gemensam hemlig nyckel som kan användas för att kryptera, och därmed skydda, informationen som utbyts över kommunikationskanalen. Säkerheten för den hemliga nyckeln vilar på de grundläggande egenskaperna hos individuella kvantsystem (fotoner, ljuspartiklarna) som kodas och överförs för nyckelgenereringen. I händelse av att dessa fotoner fångas upp av en odesignad användare, kvantfysiken garanterar att de avsedda användarna kan uppfatta avlyssningen, och därmed skydda kommunikationen.

Till skillnad från andra befintliga säkerhetslösningar, säkerheten för kvantkryptografi härrör direkt från fysikens lagar som vi använder för att beskriva världen omkring oss, och av denna anledning, den är säker mot alla framtida framsteg inom matematik och datoranvändning (inklusive tillkomsten av kvantdatorer). I ljuset av detta, QKD förväntas bli ett viktigt verktyg för att skydda verksamhetskritisk kommunikation för företag och myndigheter.