Et vigtigt skridt mod det fuldstændigt sikre kvantekommunikationsnetværk – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2018 > Et vigtigt skridt mod ...

27. november 2018

Et vigtigt skridt mod det fuldstændigt sikre kvantekommunikationsnetværk

Kvantenetværk:

Jagten på det absolut sikre informationsnetværk er gået ind. Forskere på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet er for nylig lykkedes med at forlænge lagringstiden for kvanteinformation, ved at anvende en lille glasbeholder fyldt med atomer ved stuetemperatur. Dermed er et vigtigt skridt mod sikre kvante-kodede informationsnetværk taget. Resultatet er nu publiceret i Communications Physics.

Forskerne Michael Zugenmaier og Karsten Dideriksen ved siden af deres forsøgsopstilling.

Den klassiske måde at sende information i optiske fibre over lange afstande

Når man sender information over lange afstande, kan det gøres ved at kode informationen i lysglimt, og sende dem gennem optiske fibre. Men der er tab i optiske fibre, så forstærkning af lysglimtene undervejs er nødvendig. Forstærkere, der gentager signalet, placeres på intervaller langs linjen og Voila! – Transatlantisk kommunikation er mulig. Men der er et problem: Det er ikke fuldstændigt sikkert. Informationen kan samles op undervejs, og selvom den er kodet, kan koder brydes.

Sikre kvanteinformationsnetværk – hvordan fungerer det?

Når man sender kvantekodet information, fungerer det anderledes. Informationen selv sendes faktisk ikke gennem linjen, men sendes via kvantesammenfiltring eller kvantemekanisk korrelation, som distribueres i netværket. Afsenderen har den ene halvdel af sammenfiltringen og modtageren har den anden. Sammenfiltring er lettest at etablere over korte afstande, så linjen mellem afsender og modtager inddeles i segmenter, og sammenfiltring skabes ved begyndelsen og afslutningen af hvert segment. Hvis hvert segment er i stand til at lagre sammenfiltringen, kan man vente til den er etableret stykvis i hvert segment  og derefter sammenkoble, hvor segmenterne mødes. Lagringstiden er altså vigtig – og derfor er forbedringen af lagringstiden, som forskerne nu har opnået, så afgørende et resultat. Kun hvis sammenfiltring er på plads i hele kommunikationslinjens længde, kan den faktiske kommunikation finde sted. Nu er den til gengæld fuldstændig utilgængelig for alle andre end sender og modtager, idet den skrøbelige kvanteinformation selv-destruerer øjeblikkeligt, hvis den forsøges manipuleret på nogen måde.

Illustration: Når man skal skabe kvantesammenfiltring mellem afsender A og modtager B, opdeles forbindelseslinjen i mindre stykker ved at indsætte kvantelagringsenheder (quantum repeaters). I denne illustration er A sammenfiltret med Quantum Repeater I, mens B er sammenfiltret med Quantum Repeater II. Efter sammenkobling (swap) i lagringsenhederne er A og B sammenfiltrede. Lagringsenhederne er ikke længere en del af sammenfiltringen og beskeder kan derfor ikke opsnappes i forbindelseslinjen.

Vi har brug for mange kvantelagringsenheder

Lagringstiden kommer ind i billedet, idet det tager et stykke tid for informationen at bevæge sig gennem de optiske fibre. Den skrøbelige kvantesammenfiltring skal lagres, mens den afventer sin tur til at bevæge sig gennem den optiske fiber. Det giver god mening at sigte efter et system, der virker ved stuetemperatur, pga. størrelsen af netværkene. Hvis der skal installeres kvantelagringsenheder for hver 10 km. kommunikationslinje, vil det være en enorm fordel at råde over et simpelt system, der virker ved stuetemperatur. Forskerne ved Niels Bohr Institutet har opnået at forlænge den kritiske levetid ved stuetemperatur til omkring et kvart millisekund, tilstrækkeligt til at lyset kan bevæge sig ca. 50 km. gennem fiberen. ”50 km virker måske ikke som alverden, hvis man vil sende kvanteinformation, men det er væsentligt længere, end det før har kunnet lade sig gøre med atomer ved stuetemperatur”, siger Karsten Dideriksen, Ph.d. studerende på projektet.

Glasbeholder indeholdende en gas af cæsium magen til den, der er brugt i eksperimentet.

Teknologien selv

Teknikken, mere konkret, består af en lille glasbeholder, fyldt med cæsium atomer. Den kan forskerne lade, lagre og hente enkelte fotoner (lyspartikler) fra, som udgør de kvantetilstande som er nødvendige for kvantelagringsenheden. Denne teknik forbedrer levetiden for kvantetilstandene ved stuetemperatur hundrede gange. Enkelhed er nøglen til succes, idet man skal forestille sig denne teknologi, når den engang når sit fulde potentiale, spredt ud over hele kloden som kvantelagringsenheder i vores informationsnetværk.

De umiddelbare perspekltiver er, som nævnt, lagring i kvanteinformationsnetværk, men andre muligheder, som fx at generere og lagre enkelte fotoner til brug for beregninger i en kvantecomputer er også til stede.

Link til den videnskabelige artikel: https://www.nature.com/articles/s42005-018-0080-x

Forskerne bag dette studie er postdoc Michael Zugenmaier, ph.d.-studerende Karsten B. Dideriksen, prof. Anders S. Sørensen, ph.d. Boris Albrecht og prof. Eugene S. Polzik.