Proof-of-principle long-distance Sagnac twin-field quantum key distribution network

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der zwei Menschen einen geheimen Code teilen können, der physisch unmöglich zu stehlen ist. Dies ist das Versprechen der Quantenschlüsselverteilung, einer Methode der Kommunikation, die einzelne Lichtpartikel nutzt, um eine sichere Verbindung herzustellen. Wenn ein Dieb versucht, die Nachricht abzufangen, während sie reist, sorgen die Gesetze der Physik dafür, dass sich die Nachricht verändert, was den Sender und den Empfänger warnt, dass die Leitung kompromittiert wurde. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler erfolgreich solche sicheren Leitungen zwischen zwei entfernten Punkten aufgebaut. Die reale Welt besteht jedoch nicht aus einfachen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen; sie ist ein komplexes Geflecht aus Städten und Gemeinden, die miteinander kommunizieren müssen. Um diese Technologie für alle nutzbar zu machen, müssen wir von der Verbindung zweier Freunde zum Aufbau eines Netzwerks übergehen, das viele miteinander verbinden kann, während wir gleichzeitig das Signal über hunderte Kilometer Glasfaserkabel stark halten.

Die Herausforderung beim Aufbau eines solchen Netzwerks besteht darin, dass Lichtsignale verblassen, während sie durch Glasfasern reisen. In der Vergangenheit erforderte die Erweiterung dieser sicheren Verbindungen teure, empfindliche Geräte, um das Signal ständig zu korrigieren, oder es war auf sehr kurze Distanzen begrenzt. Ein neuerer Ansatz, bekannt als Twin-Field-Quantenschlüsselverteilung, bietet eine Möglichkeit, Signale viel weiter zu senden, indem zwei Nutzer ihr Licht an eine zentrale Station senden, damit es sich in der Mitte trifft. Während diese Methode im Labor große Erfolge gezeigt hat, beschränkten sich die meisten Demonstrationen auf nur zwei Nutzer oder erforderten komplexe, aktive Systeme, um das Signal zu stabilisieren. Die Frage blieb: Könnte dies in einem echten Multi-Nutzer-Netzwerk funktionieren, das sich über lange Distanzen erstreckt, ohne dass ständige hochtechnologische Eingriffe nötig sind?

Ein Team von Forschern hat diese Frage nun beantwortet, indem es einen funktionierenden Prototyp eines Drei-Nutzer-Quantennetzwerks gebaut hat, das 127 Kilometer umfasst. Ihr Experiment, das in einer kürzlich erschienenen Studie beschrieben wird, beweist, dass es möglich ist, sichere Schlüssel zwischen jedem Paar von Nutzern in einem ringförmigen Netzwerk mit relativ einfacher und erschwinglicher Ausrüstung zu generieren. Anstatt sich auf komplexe, aktive Systeme zu verlassen, die die Phase des Lichts ständig anpassen, verwendete das Team eine clevere Anordnung namens Sagnac-Interferometer. Dieser Aufbau ermöglicht es dem Licht, in zwei Richtungen um eine Schleife zu reisen und in der Mitte wieder zusammenzutreffen. Da das Licht auf beiden Wegen durch dieselben Fasern reist, hebt das System natürliche Störungen, wie etwa Temperaturänderungen oder Vibrationen, von Natur aus auf. Diese „Plug-and-Play“-Natur bedeutet, dass das Netzwerk stabil bleiben kann, ohne dass eine aktive Phasenstabilisierung oder eine Nachkompensation erforderlich ist, was bei Langstreckeneperimenten typischerweise notwendig ist.

Die Forscher bauten ihr Netzwerk mit drei Nutzern auf, genannt Alice, Bob und Danny, die in einem Ring verbunden sind. Die Gesamtlänge des verwendeten Glasfaserkabels betrug 127 Kilometer, bestehend aus vier großen Spulen ultra-verlustarmer Glasfaser. Zwischen den Nutzern und einer zentralen Station variierten die Distanzen, was ein asymmetrisches Netzwerk schuf, in dem einige Pfade länger waren als andere, ganz ähnlich wie ein reales Stadtnetz. Um den Rauschen zu begegnen, das natürlich auftritt, wenn Licht in der Glasfaser zurückspringt, setzte das Team eine Technik namens Burst-Patterning ein. Dies beinhaltet das Senden des Lichts in kurzen, zeitlich abgestimmten Bursts anstelle eines kontinuierlichen Stroms, was hilft, das Nutzsignal vom Hintergrundrauschen zu trennen. Sie implementierten außerdem ein System, um die Polarisation des Lichts ausgerichtet zu halten. Da sich die Orientierung der Lichtwellen während der Reise durch die Glasfaser verschieben kann, nutzte das Team elektronische Controller, um das Licht ständig zu überwachen und anzupassen, um sicherzustellen, dass es in der korrekten Phase bleibt, um bei der Interferenz der beiden Pfade korrekt zu interferieren.

Über den Verlauf einer Stunde demonstrierte das System eine bemerkenswerte Stabilität. Die Forscher maßen, wie gut die Lichtwellen miteinander interferieren – ein Wert, der als Sichtbarkeit bezeichnet wird – und fanden heraus, dass dieser bei 93 Prozent stabil blieb. Diese hohe Stabilität ist entscheidend, da sie sicherstellt, dass der geheime Schlüssel ohne zu viele Fehler generiert werden kann. Das Team generierte erfolgreich sichere Schlüssel für zwei verschiedene Nutzerpaare. Im ersten Szenario kommunizierten Alice und Bob über einen 102 Kilometer langen Kanal mit einem Gesamtsignalverlust von 45 Dezibel. Trotz dieses erheblichen Verlusts erreichten sie eine sichere Schlüsselrate von 1,398 mal 10 hoch minus 5 Bits pro Puls. Im zweiten Szenario kommunizierten Alice und Danny über einen 77 Kilometer langen Kanal mit 34 Dezibel Verlust und erreichten eine noch höhere Schlüsselrate. Das Experiment berücksichtigte auch die begrenzte Menge der gesammelten Daten und zeigte, dass sichere Schlüssel selbst mit begrenzten Daten generiert werden konnten, was eine kritische Voraussetzung für den realen Einsatz ist.

Was diese Errungenschaft besonders bedeutsam macht, ist die verwendete Ausrüstung. Das gesamte Netzwerk arbeitete mit Einzelphotonen-Avalanche-Detektoren, bei denen es sich um Standardkomponenten handelt, die kommerziell erhältlich sind, im Gegensatz zu den teuren und komplexen supraleitenden Detektoren, die oft für Langstrecken-Quantenexperimente erforderlich sind. Darüber hinaus verwendete das System einen einzigen kommerziellen Laser und erforderte nicht, dass die Nutzer ihre Laser auf eine spezifische Frequenz synchronisieren – ein Prozess, der normalerweise komplexe Hardware verlangt. Durch den Nachweis, dass ein Multi-Nutzer-Netzwerk über lange Fasern ohne aktive Phasenstabilisierung funktionieren kann, haben die Forscher einen Weg zu einer praktischeren und kostengünstigeren Zukunft der Quantenkommunikation aufgezeigt. Diese Arbeit legt nahe, dass der Traum eines weit verbreiteten, sicheren Quanteninternets nicht nur eine theoretische Möglichkeit, sondern eine ingenieurtechnische Realität ist, die mit bestehender Technologie gebaut werden kann. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Barrieren für die Skalierung von Quantennetzwerken gesenkt werden und die Technologie näher an den Tag rückt, an dem sichere Kommunikation ein Standardmerkmal unserer globalen Infrastruktur sein wird.