I en ny studie, forskare visar en automatiserad, lättanvänd kvantnyckeldistributionssystem (QKD) med fibernätet i staden Padua, Italien. Fältprovet representerar ett viktigt steg mot att implementera denna mycket säkra kvantkommunikationsteknik med hjälp av den typ av kommunikationsnätverk som redan finns i många regioner runt om i världen.

QKD erbjuder ogenomtränglig kryptering för datakommunikation eftersom den använder ljusets kvantegenskaper för att generera säkra slumpmässiga nycklar för kryptering och dekryptering av data.

"QKD kan vara användbart i alla situationer där säkerhet är av största vikt eftersom det erbjuder ovillkorlig säkerhet för nyckelutbytesprocessen, "sade Marco Avesani från Università degli Studi di Padova i Italien, medförfattare till den nya studien med Luca Calderaro och Giulio Foletto. "Den kan användas för att kryptera och autentisera hälsodata som skickas mellan sjukhus eller pengaröverföringar mellan banker, till exempel."

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optikbokstäver , forskare under ledning av Paolo Villoresi och Giuseppe Vallone rapporterar att deras enkla system är stabilt över tiden och kan generera kvantsäkra kryptografiska nycklar med ihållande takt över en vanlig telekommunikationsinfrastruktur.

"QKD -system kräver vanligtvis ett komplext stabiliseringssystem och ytterligare dedikerad synkroniseringshårdvara, "sa Avesani." Vi utvecklade ett komplett QKD -system som direkt kan kopplas till standard telekommunikationsutrustning och inte kräver ytterligare hårdvara för synkronisering. Systemet passar enkelt in i rackhöljen som vanligtvis finns i serverrum. "

Utforma ett lättanvänt system

För att producera de kvanttillstånd som krävs av QKD, forskarna utvecklade en ny kodare för att manipulera polarisering av enstaka fotoner. Kodaren, som forskarna kallar iPOGNAC, ger en fast och stabil polarisationsreferens som inte kräver frekvent omkalibrering. Denna funktion är också fördelaktig för kvantkommunikation i fritt utrymme och satellit, där omkalibreringar är svåra att utföra.

"På grund av den teknik vi utvecklat, källan var redo att producera kvanttillstånd när vi flyttade vårt system från labbet till platsen för fältförsöket, "sa Calderaro." Vi behövde inte utföra det långsamma, och ofta benägen att misslyckas, justeringsförfarande som krävs för de flesta QKD -system. "

Forskarna utvecklade också en ny synkroniseringsalgoritm, som de kallar

Qubit4Sync, för att synkronisera maskinerna för de två QKD -användarna. I stället för att använda dedikerad extra hårdvara och en extra frekvenskanal för synkronisering, det nya systemet använder programvara och samma optiska signaler som används för QKD. Detta gör systemet mindre, billigare, och lättare att integrera i ett befintligt optiskt nätverk.

För att testa det nya systemet, forskarna tog med sina två QKD -terminaler till två universitetsbyggnader ungefär 3,4 km från varandra i olika delar av Padua. De kopplade systemen till två underjordiska optiska fibrer som ingår i universitetets kommunikationsnätverk. Dessa fibrer stödde kvantkanalen som bär qubits och den klassiska kanalen som behövs för att överföra tilläggsinformation.

Ett kvantsäkrat videosamtal

"Fältförsöket lyckades, "sa Foletto." Vi visade att vårt enkla system kan producera hemliga nycklar med hastigheter på kilobit per sekund och att det fungerar utanför laboratoriet med liten mänsklig intervention. Det var också enkelt och snabbt att installera. "

I en offentlig demonstration, forskarna använde sin inställning för att möjliggöra ett kvantsäkrat videosamtal mellan rektorn vid University of Padua och direktören för matematikavdelningen. Forskarna noterar att systemets prestanda är jämförbar med andra kommersiella QKD -system när det gäller hemlig nyckelgenereringshastighet samtidigt som de har färre komponenter och är lättare att integrera i ett befintligt fibernät.

De arbetar för att minska storleken på detektionsapparaten och för att göra systemet mer robust mot buller från annat ljus som färdas i samma fiber. Ansträngningarna att utveckla ett komplett och autonomt QKD-system ledde till skapandet av ett spin-off-företag som heter ThinkQuantum s.r.l, som arbetar för att kommersialisera denna teknik.