Auf dem Weg zu großstädtischen Quantennetzwerken im freien Raum

Die Quantenkommunikation hat sich schnell zu praktischen, groß angelegten Netzwerken weiterentwickelt Quantenschlüsselverteilungen die den Prozess vorantreiben. Quantenschlüsselverteilungssysteme umfassen typischerweise einen Sender „Alice“ und einen Empfänger „Bob“, die aus Quantenmessungen ein gemeinsames Geheimnis für eine sichere Kommunikation generieren. Obwohl glasfaserbasierte Systeme gut für den städtischen Maßstab geeignet sind, ist möglicherweise nicht immer eine geeignete Glasfaserinfrastruktur vorhanden.

In einem neuen Bericht in npj Quanteninformationen, Andrej Kržič und ein Team von Wissenschaftlern entwickelten ein auf Verschränkung basierendes Freiraum-Quantennetzwerk. Die Plattform bot eine praktische und effiziente Alternative für städtische Anwendungen. Das Team stellte ein Freiraum-Quantenschlüsselverteilungssystem vor, um seinen Einsatz in realistischen Anwendungen zu demonstrieren, im Vorgriff auf die Arbeiten zur Etablierung von Freiraum-Netzwerken als praktikable Lösung für großstädtische Anwendungen im zukünftigen globalen Quanteninternet.

Quantenkommunikationsnetzwerk

Quantenkommunikation zielt typischerweise darauf ab, Quanten zu verteilen Informationen zwischen zwei oder mehreren Parteien. Eine Reihe revolutionärer Anwendungen von Quantennetzwerken haben den Weg in die Technik geebnet ein vollwertiges Quanteninternet. Die vorgeschlagene Erfindung stellt ein heterogenes Netzwerk aus Teilnetzwerken für spezielle Zwecke bereit mit diversen Links und verbindet. Das Konzept der Quantenschlüsselverteilungsnetzwerke hat diese Entwicklung vorangetrieben und den Weg für andere verteilte Quanteninformationsverarbeitungsmethoden geebnet, um die technologische Reife von Quantennetzwerken im Allgemeinen zu messen.

In dieser Arbeit beschrieben Kržič und Kollegen eine großstädtische Freiraum-Netzwerkarchitektur zur Sicherung der Kommunikation auf Gipfeltreffen, Konferenzen und anderen Veranstaltungen mit der zusätzlichen Kapazität, eine bereits vorhandene Netzwerkinfrastruktur zu ergänzen, wenn keine End-to-End-Glasfaserverbindungen vorhanden sind. Die Quantenphysiker bauten die Architektur um einen zentralen Verschränkungsserver auf, um die verschränkten Photonen an die Benutzer des Netzwerks zu streamen.

Sie bauten Schlüsselbausteine ​​dieser Architektur, darunter eine tragbare, gut sichtbare Quelle verschränkter Photonenpaare, die für städtische Anwendungen geeignet ist und über eine spezielle Filterung für die Tagesfunktion verfügt. Die Physiker führten Quantenschlüsselverteilungsexperimente in realistischen Szenarien über 1,7 km mit Quantensicherheit durch, um die Fähigkeit zu zeigen, Rekordraten in Kilobyte pro Sekunde bei Nacht und am helllichten Tag zu erreichen.

Ein verschränkungsbasiertes Quantennetzwerk

Die Forscher entwickelten eine Netzwerkarchitektur, bei der eine verschränkte Photonenquelle es dem Server ermöglichte, die Verschränkung in ein großstädtisches Netzwerk aus Freiraumverbindungen zu streamen. Die Wissenschaftler entschieden sich dafür, den Verschränkungsserver in einem zentralen Hochhaus zu platzieren.

Jeder Benutzer besaß ein Quantenempfänger-Subsystem, um die Anatomie eines Quantenzustands zu erkennen, und das Team erweiterte die Netzwerkgröße problemlos, indem es mehrere Verschränkungsserver einführte, die über einen zentralen Vertrauensmodus miteinander verbunden waren, um die Verschränkung an die Benutzer zu verteilen. Die Physiker gehen davon aus, dass die Verschränkungsserver als praktische Schnittstelle fungieren, um ein großstädtisches Freiraumnetzwerk mit dem Glasfaser-Backbone eines größeren Intercity-Netzwerks zu verbinden.

Ein Freiraum-Quantenschlüsselverteilungssystem zwischen Alice und Bob

Kržič und sein Team entwickelten ein Quantenkommunikationssystem speziell für großstädtische Anwendungen, das aus den wichtigsten Baueinheiten bestand, die für die Implementierung eines Freiraum-Quantennetzwerks an einem neuen Standort in weniger als einem Tag erforderlich waren. Abgesehen vom Zugang zu Elektrizität war für die Plattform keine vorherige Infrastruktur erforderlich. Das System ähnelte dem Alice-Bob-Segment des Netzwerks, in dem die Verschränkungsserver Paare polarisationsverschränkter Photonen bei 810 nm erzeugten: Eines wurde über eine Singlemode-Faser an Alice gesendet, während Bob das andere über eine Freiraumverbindung empfing .

Das Stabilisierungssystem mit geschlossenem Regelkreis erleichterte die langfristige Funktionalität, wobei sowohl Bob als auch Alice eins besaßen Quantenempfänger-Subsystem. Bobs Version verfügte über speziell entwickelte spektrale und räumliche Filtermodule für den Betrieb bei Tageslicht, während Alices Version keine spezielle Filterung des Tageslichtrauschens erforderte. Das Team realisierte einen klassischen Kanal zwischen Alice und Bobs Quantenempfänger-Subsystem mit kommerziellen Funkantennen.

Systemleistung bei Tag und Nacht

Die Quanteningenieure nutzten das System, um eine Quantenverbindung zwischen einem Standort in Jena, Deutschland, und dem Standort eines temporären Containers auf dem Dach eines 1,7 km entfernten öffentlichen Dienstleistungsgebäudes herzustellen. Sie haben die Systemleistung relativ zu verglichen Quantenbitfehlerrate und erreichbare sichere Schlüsselrate für zwei Experimente bei Nacht und Tag mit kontrastierenden höhere Hintergrundgeräusche. Die Wissenschaftler trennten Bobs erfasste Zählraten in Signal- und Hintergrundrauschbeiträge, einschließlich der von einer Wetterstation gemessenen Sonnenstrahlung.

Das Team führte am 2. März 2022 ein Nachtexperiment durch, um eine stabile Leistung mit einer Quantenbitfehlerrate von weniger als 2 % für eine durchschnittliche sichere Schlüsselrate von 5,4 Kbit/s über mehrere Stunden hinweg zu demonstrieren. Die Leistung des Systems schwankte stärker; Als das Team beispielsweise die Verbindung direktem Sonnenlicht aussetzte, erreichten die erfassten Rauschraten Werte von mehr als 400 Kilophotonen pro Sekunde (kcps). In den nächsten Stunden, als kleine Wolken die Sonne überquerten, wurde das Hintergrundgeräusch reduziert, um die Leistung der Plattform wiederherzustellen, wodurch es in direkter Folge des Sonnenlichts schwankte.

Das Team simulierte ein Szenario, um die Leistung zweier unabhängiger Freiraumverbindungen von den Entanglement-Servern zu Alice und Bob zu messen. Nachts stellten sie eine sichere Schlüsselrate von mehr als 1,1 kbps fest. Als das Team dieses System im Juli 2021 einführte, richtete es eine Freiraum-Quantenschlüsselverteilungsverbindung zwischen zwei 300 m voneinander entfernten Büros in Bonn, Deutschland, ein, um tagsüber und nachts ähnliche Schlüsseltarife zu erzielen.

Ausblick

Auf diese Weise entwickelten Andrej Kržič und das Team eine auf Verschränkung basierende Freiraum-Quantennetzwerkarchitektur als praktikable Lösung für großstädtische Maßstäbe. Sie erreichten unter unterschiedlichen Bedingungen sichere Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 5,7 Kbit/s, was ihre Fähigkeit unter Beweis stellt, rund um die Uhr zu funktionieren und eine vollständige Abdeckung einer Stadt zu ermöglichen.

Sie erforschten außerdem die hochdimensionale Verschränkung, um eine höhere Informationskapazität pro Photon bei besserer Sicherheit und verbesserter Robustheit gegenüber Rauschen zu ermöglichen. Die Verteilung der Verschränkung ist das Herzstück zahlreicher Anwendungen, die über die Quantenschlüsselverteilung hinausgehen, einschließlich Quantenuhrsynchronisation Und Quantenkryptographie.

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