Pod vodstvom kitajskih znanstvenikov dosegli prvo kvantno zaščiteno komunikacijo na svetu na razdalji 10.000 km

Mednarodna ekipa pod vodstvom kitajskih znanstvenikov je realizirala kvantno zavarovano komunikacijo na razdalji več kot 12.900 kilometrov med Kitajsko in Južno Afriko.

Z uporabo mikro-nano satelita Jinan-1 in kompaktnih zemeljskih postaj ta novi preboj v kvantni tehnologiji dokazuje možnosti za varno kvantno komunikacijo na svetovni ravni.

Ekipa pod vodstvom Kitajske univerze za znanost in tehnologijo (USTC) je prvič na mednarodni ravni omogočila kvantno distribucijo ključev (QKD) v realnem času med satelitom in miniaturnimi zemeljskimi postajami - vključno s tisto v Stellenboschu v Južni Afriki.

S tem inženirskim dosežkom so kitajski znanstveniki v sodelovanju s kolegi z univerze Stellenbosch uspešno prikazali doslej najdaljšo hekersko odporno komunikacijo med poloblama.

Rezultat je bil v sredo objavljen v reviji Nature.

Recenzent revije je dogodek pohvalil kot »tehnično impresiven dosežek«, ki predstavlja »znaten napredek v smeri konstelacij zaupanja vrednih vozlišč za široko razširjene satelitske storitve QKD« in kaže »zrelost satelitske tehnologije QKD«.

Kitajska je že nekaj časa v ospredju raziskav kvantnih komunikacijskih satelitov. Leta 2016 je izstrelila prvi kvantni satelit na svetu z imenom Micius.

Študija, objavljena januarja 2018, je pokazala, da je Micius znanstvenikom omogočil doseči QKD na razdalji približno 7 600 kilometrov med Kitajsko in Avstrijo, ki sta na severni polobli. Med tem poskusom so znanstveniki prenašali slike med državama, med Pekingom in Dunajem pa je bila uspešno izvedena 75-minutna videokonferenca.

Kitajska se je v prizadevanjih za vzpostavitev stroškovno učinkovitejšega in razširljivega globalnega kvantnega komunikacijskega omrežja osredotočila na razvoj nizkocenovnih mikro-nano satelitov. Julija 2022 je bil Jinan-1 postavljen v načrtovano orbito.

Nedavni test QKD prek Jinan-1 je dosegel kvantno zaščiteno komunikacijo med severno in južno poloblo, kar dokazuje tehnično izvedljivost izgradnje globalnega kvantnega komunikacijskega omrežja.

QKD zagotavlja tehnično podlago za varno komunikacijo. Temelji na fizikalni lastnosti kvantne mehanike, ki onemogoča ustvarjanje neodvisne in identične kopije poljubnega neznanega kvantnega stanja - tako zagotavlja »neulovljiv« način izmenjave šifriranih sporočil med oddaljenimi uporabniki.

kvantxinhua2.jpg

Pri poskusu razumevanja vrednosti kvantno varne komunikacije si lahko predstavljamo scenarij pošiljanja informacij z uporabo jajc z lupino, pri čemer se uporabljajo jajca z enim rumenjakom, ki predstavljajo »0«, in jajca z dvema rumenjakoma, ki predstavljajo »1«.

Prisluškovalec v kvantnem svetu mora ta jajca popolnoma razbiti, da določi njihove vrste, kar legitimnemu pošiljatelju in prejemniku omogoča primerjavo rezultatov pri preverjanju, ali so jajca ostala nepoškodovana, in s tem odkrivanje morebitnega prisluškovanja.

»Eden od dosežkov satelita Jinan-1 je njegova sposobnost, da omogoča QKD v realnem času,« je dejal Liao Shengkai, soavtor članka in vodja projekta Jinan-1 iz USTC.

Med preskusom kitajsko-avstrijske komunikacije prek satelita Micius so kvantna stanja, prenesena s satelita, potrebovala vsaj tri do štiri dni obdelave za ustvarjanje varnih ključev. Za 75-minutno srečanje, ki je zahtevalo več kot 800.000 ključev, je postopek priprave trajal več kot mesec dni, je dejal Liao.

V primeru preizkusa satelita Jinan-1, ko je satelit, ki je služil kot prenosna postaja, v približno 1,5 ure preletel vzhodno kitajsko mesto Jinan in severozahodno mesto Urumči, pa so bili preneseni tako tajni ključi kot šifrirani podatki, s čimer je bila dosežena visoka stopnja neposrednosti.

V skladu s študijo je bilo med enim samim satelitskim preletom uspešno izmenjanih kar milijon bitov varnih ključev.

Slika, prenesena prek kvantno zaščitene komunikacije med Kitajsko in Južno Afriko v poskusu prenosa podatkov, prikazuje poskusno mesto na univerzi Stellenbosch v Južni Afriki. (Kitajska univerza za znanost in tehnologijo/Handout via Xinhua)

Jinan-1 je bil izstreljen na krovu nosilne rakete Lijian-1 iz centra za izstrelitev satelitov Jiuquan na severozahodu Kitajske, kar poudarja prizadevanja države za miniaturizacijo kvantnih satelitov - kar je bistveno za komercializacijo kvantnega interneta.

Jinan-1, ki tehta približno šestino več kot 600-kilogramskega satelita Micius, je z integracijo kvantnih in optičnih komunikacijskih kanalov, ki omogočajo pridobivanje ključev in generiranje kod v realnem času, pokazal izjemen napredek.

Ne glede na manjšo velikost ima satelit v nizki orbiti šestkrat višjo frekvenco svetlobnega vira kot Micius, medtem ko se je hitrost generiranja ključev povečala za 2 do 3 velikostne rede.

Zemeljske postaje za Jinan-1 so prav tako dosegle izjemno miniaturizacijo - njihova teža je padla s približno 13 ton na manj kot 100 kilogramov, čas namestitve pa se je skrajšal z mesecev na ure.

kvantxinhua3.jpg

»Jinan-1 je zasnovan izključno za komercialno uporabo in je energetsko učinkovitejši od Miciusa, stroški njegovega razvoja in izstrelitve pa so bili veliko nižji,« je povedal Zhou Fei, kvantni znanstvenik z Inštituta za kvantno tehnologijo v Jinanu, ki je sodeloval pri načrtovanju Jinana-1.

Pomembno je, da se je Jinan-1 nedavno povezal tudi z dvema zmogljivima komunikacijskima satelitoma in eksperimentalnim omrežjem 5G ter tako prvič dosegel kvantno šifrirane glasovne klice, sporočila in podatkovno komunikacijo 5G.

Ta preskus je dokazal, da lahko kvantni sateliti podpirajo varno satelitsko komunikacijo 5G in povečajo varnost podatkov tam, kjer tradicionalna kopenska omrežja ne uspejo, kar še dodatno pospešuje potencialno komercialno uporabo kvantne satelitske komunikacije.

»Micius je rešil problem od 0 do 1, s čimer je dokazal izvedljivost,« je dejal Liao. »Delo Jinan-1 je korak od 1 do 10, ki postavlja temelje za več izstrelitev kvantnih satelitov v prihodnosti.«

Najnovejše delo ekipe je »mejnik za uresničitev satelitske konstelacije za kvantno in klasično komunikacijo,« so komentirali recenzenti revije Nature.

Kitajska zdaj razmišlja o izgradnji majhnega kvantno varnega satelitskega omrežja in vključitvi kvantnega šifriranja v obstoječe načrte države za satelitski internet, je dodal Liao.