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

Stel je een wereld voor waarin twee mensen een geheime code kunnen delen die fysiek onmogelijk te stelen is. Dit is de belofte van quantum key distribution, een methode van communicatie die individuele lichtdeeltjes gebruikt om een beveiligde verbinding te creëren. Als een dief probeert mee te kijken naar het bericht terwijl het onderweg is, zorgen de wetten van de natuurkunde ervoor dat het bericht verandert, waardoor de zender en ontvanger worden gewaarschuwd dat de lijn gecompromitteerd is. Decennialang hebben wetenschappers deze beveiligde verbindingen succesvol gebouwd tussen twee verre punten. De echte wereld bestaat echter niet uit eenvoudige punt-naar-puntverbindingen; het is een complex web van steden en dorpen die met elkaar moeten communiceren. Om deze technologie bruikbaar te maken voor iedereen, moeten we van het verbinden van twee vrienden naar het bouwen van een netwerk gaan dat velen kan verbinden, terwijl we tegelijkertijd het signaal sterk houden over honderden kilometers glasvezelkabel.

De uitdaging bij het bouن van een dergelijk netwerk is dat lichtsignalen vervagen terwijl ze door glazen vezels reizen. In het verleden vereiste het uitbreiden van deze beveiligde verbindingen dure, delicate apparatuur om het signaal constant te corrigeren, of het was beperkt tot zeer korte afstanden. Een nieuwere aanpak, bekend als twin-field quantum key distribution, biedt een manier om signalen veel verder te verzenden door twee gebruikers hun licht naar een centraal station te laten sturen om in het midden samen te komen. Hoewel deze methode veel belofte heeft getoond in het laboratorium, waren de meeste demonstraties beperkt tot slechts twee gebruikers of vereisten ze complexe, actieve systemen om het signaal te stabiliseren. De vraag bleef: zou dit kunnen werken in een echt, multi-user netwerk dat zich over lange afstanden uitstrekt zonder de noodzaak van constante, hoogtechnologische interventie?

Een team van onderzoekers heeft nu antwoord gegeven op deze vraag door een werkend prototype van een drie-gebruikers quantumnetwerk te bous dat 127 kilometer beslaat. Hun experiment, beschreven in een recente studie, bewijst dat het mogelijk is om beveiligde sleutels te genereren tussen elk paar gebruikers in een ringvormig netwerk met behulp van relatief eenvoudige en betaalbare apparatuur. In plaats van te vertrouwen op complexe, actieve systemen om de fase van het licht constant aan te passen, gebruikte het team een slimme opstelling genaand een Sagnac-interferometer. Deze opstelling zorgt ervoor dat het licht in twee richtingen rond een lus reist en weer in het midden samenkomt. Omdat het licht beide kanten op reist door dezelfde vezels, heft het systeem van nature veel verstoringen op die normaal gesproken het signaal zouden ruïneren, zoals temperatuurveranderingen of trillingen. Deze "plug-and-play"-aard betekent dat het netwerk stabiel kan blijven zonder de noodzaak van actieve fase-stabilisatie of post-compensatie, wat doorgaans vereist is in langafstandsexperimenten.

De onderzoekers zetten hun netwerk op met drie gebruikers, genaamd Alice, Bob en Danny, die in een ring verbonden zijn. De totale lengte van de gebruikte glasvezelkabel was 127 kilometer, bestaande uit vier grote spoelen van ultra-lage-verliesvezel. Tussen de gebruikers en een centraal station varieerden de afstanden, wat een asymmetrisch netwerk creëerde waarbij sommige paden langer waren dan andere, vergelijkbaar met een echt wegennet in een stad. Om de ruis te beheersen die van nature optreedt wanneer licht terugkaatst binnen de vezel, gebruikte het team een techniek genaamd burst patterning. Dit houdt in dat het licht in korte, getimede bursts wordt verzonden in plaats van een continue stroom, wat helpt om het nuttige signaal te scheiden van de achtergrondruis. Ze implementeerden ook een systeem om de polarisatie van het licht uitgelijnd te houden. Omdat de oriëntatie van lichtgolven kan driften terwijl ze door de vezel reizen, gebruikte het team elektronische controllers om het licht constant te monitoren en aan te passen, zodat het in de juiste staat bleef om te interfereren wanneer de twee paden elkaar ontmoetten.

Gedurende een uur demonstreerde het systeem een opmerkelijke stabiliteit. De onderzoekers maten hoe goed de lichtgolven met elkaar interfereerden, een waarde die bekend staat als visibility (zichtbaarheid), en vonden dat deze stabiel bleef op 93 procent. Dit hoge niveau van stabiliteit is cruciaal omdat het ervoor zorgt dat de geheime sleutel gegenereerd kan worden zonder te veel fouten. Het team genereerde succesvol beveiligde sleutels voor twee verschillende paren gebruikers. In het eerste scenario communiceerden Alice en Bob over een kanaal van 102 kilometer met een totaal signaalverlies van 45 decibel. Ondanks dit aanzienlijke verlies bereikten zij een beveiligde sleutelrate van 1,398 maal 10 tot de macht min 5 bits per puls. In het tweede scenario communiceerden Alice en Danny over een kanaal van 77 kilometer met 34 decibels aan verlies, waarbij ze een nog hogere sleutelrate behaalden. Het experiment hield ook rekening met de eindige hoeveelheid verzamelde data, waarmee werd aangetoond dat beveiligde sleutels gegenereerd kunnen worden, zelfs met beperkte data, een kritieke vereiste voor real-world implementatie.

Wat deze prestatie bijzonder significant maakt, is de gebruikte apparatuur. Het gehele netwerk functioneerde met single-photon avalanche detectors, wat standaard, commercieel beschikbare componenten zijn, in plaats van de dure en complexe supergeleidende detectoren die vaak vereist zijn voor langafstandsexperimenten in de quantumwereld. Bovendien gebruikte het systeem een enkele commerciële laser en was het niet nodig dat de gebruikers hun lasers vastzetten op een specifieke frequentie, een proces dat meestal complexe hardware vereist. Door aan te tonen dat een multi-user netwerk kan functioneren over lange vezels zonder actieve fase-stabilisatie, hebben de onderzoekers een pad opgelegd naar een meer praktische en kosteneffectieve toekomst voor quantumcommunicatie. Dit werk suggereert dat de droom van een wijdverspreid, veilig quantuminternet niet alleen een theoretische mogelijkheid is, maar een technische realiteit die gebouwd kan worden met bestaande technologie. De resultaten wijzen erop dat de barrières voor het schalen van quantumnetwerken worden verlaagd, waardoor de technologie dichter bij de dag komt waarop beveiligde communicatie een standaardonderdeel van onze wereldwijde infrastructuur is.