Der Erste seiner Art! Neuer Durchbruch in der Quantenkommunikation in meinem Land

Kürzlich nutzte das Team von Yuan Zhiliang am Beijing Institute of Quantum Information Science erstmals die Technologie optischer Frequenzkämme, um ein Quantenschlüsselverteilungssystem mit offener Architektur und zwei Feldern zu realisieren, und schloss ein 615 Kilometer langes Experiment zur Quantenschlüsselverteilung mit Glasfasern ab. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden am 18. Februar 2023 in der internationalen Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Die Quantenschlüsselverteilung basiert auf den Grundprinzipien der Quantenphysik und der One-Time-Pad-Verschlüsselungsmethode, mit der eine bedingungslos sichere Kommunikation erreicht werden kann. Im Jahr 2018 schlug das Toshiba Europe Research Institute in Großbritannien ein neues Dual-Field-Protokoll vor, das eine lineare Verringerung der sicheren Codierungsrate mit der Quadratwurzel der Kanaldämpfung ermöglicht. Dadurch kann die Codierratenbegrenzung ohne Relais durchbrochen werden und es handelt sich um eine praktikable Lösung für die Erzielung einer Quantenkommunikation über Glasfasern über eine Distanz von 500 Kilometern. Die Implementierung des Dual-Field-Protokolls erfordert zwei unabhängige Laserquellen an verschiedenen Standorten, um eine stabile Einzelphotoneninterferenz an einem Remote-Knoten eines Drittanbieters zu erreichen. Der geringe Frequenzunterschied zwischen den Laserquellen der beiden Kommunikationspartner und die schnelle Phasendrift, die durch die Langstrecken-Glasfaser verursacht wird, haben jedoch erhebliche Auswirkungen auf die Interferenz. Derzeit besteht die traditionelle Lösung darin, eine Service-Glasfaser als Übertragungsmedium zwischen zwei weit entfernten Standorten zu verlegen und dann Zeit-Frequenz-Übertragung oder optische Phasenregelschleifen und andere Technologien zu verwenden, um die Frequenzkopplung der Laserquellen an den beiden Standorten zu vervollständigen. Diese geschlossene Glasfaserarchitektur (siehe Abbildung a) ist für weiträumige Quantensicherheitsnetzwerkanwendungen mit mehreren Knoten sehr ungünstig.

a) Traditionelle geschlossene Glasfaserarchitektur

b) Offene Architektur, entwickelt vom Beijing Institute of Quantum Engineering

Basierend auf der unabhängig entwickelten Technologie zur kohärenten Seitenbandphasenstabilisierung und Fernkalibrierung der Laserquellenfrequenz hat das Team von Yuan Zhiliang das erste wartungsfreie, glasfaserfreie Zweifeld-Quantenschlüsselverteilungssystem mit offener Architektur entwickelt (siehe Abbildung b), das eine sichere Kodierung auf verlustarmen Glasfaserstrecken von 400, 500 und 600 Kilometern erreicht und die Kodierratengrenze der relaisfreien Quantenschlüsselverteilung durchbrochen hat. Darüber hinaus wurde ein Experiment zur Quantenschlüsselverteilung mit einem Armlängenunterschied von 100 Kilometern erfolgreich durchgeführt (der aktuelle Rekord für den größten Armlängenunterschied).

Im Vergleich zu früheren experimentellen Ergebnissen ist die Phasendriftrate des Quantensignallichts um mehr als das Tausendfache reduziert, wodurch die Rauschauswirkungen des Phasenreferenzlichts erheblich verringert werden und die Entfernung der Quantenschlüsselverteilung über Glasfasern auf das Tausend-Kilometer-Niveau durchbrochen werden kann. Die offene Architektur auf Basis optischer Frequenzkämme fördert künftig den Aufbau städteübergreifender Quantensicherheitsnetzwerke mit mehreren Benutzern und mehreren Knoten und ist für verteilte Quantennetzwerke auf Basis von Einzelphotoneninterferenzen von großer Bedeutung.

Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China unterstützt.

Link zum Artikel:

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36573-2

Quelle: Offizieller Account des „Beijing International Science and Technology Innovation Center“