Ερευνητές στην Κίνα ισχυρίζονται ότι βρήκαν μια βιώσιμη λύση για την κατασκευή κβαντικών δικτύων επικοινωνίας μεγάλων αποστάσεων. Ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Πεκίνου, σύμφωνα με μελέτη που δημοσιεύτηκε αυτή την εβδομάδα στο Nature, ανέπτυξε μια πρωτότυπη δικτυακή δυνατότητα που μπορεί να επικοινωνήσει σε αποστάσεις άνω των 3.700 χιλιομέτρων.
Η κβαντική κρυπτογράφηση κλειδιών (QKD) θεωρείται το “χρυσό πρότυπο” για την ασφαλή επικοινωνία, καθώς οποιαδήποτε απόπειρα υποκλοπής αφήνει αμέσως ανιχνεύσιμα ίχνη, ανεξάρτητα από την απόσταση ή τον αριθμό των ενδιάμεσων συσκευών. Ωστόσο, παρά τις θεωρητικές της δυνατότητες, η QKD αντιμετώπιζε εμπόδια όπως η περιορισμένη εμβέλεια, το υψηλό κόστος του εξοπλισμού και η αδυναμία εξυπηρέτησης πολλαπλών χρηστών αποτελεσματικά.
Τα σημερινά συστήματα βασίζονται σε μια σειρά από “έμπιστους κόμβους αναμετάδοσης” – σταθμούς δηλαδή που διαχειρίζονται τα κβαντικά κλειδιά κατά μήκος της διαδρομής. Παρόλο που λειτουργούν, αυτοί οι κόμβοι εισάγουν πιθανές αδυναμίες στην ασφάλεια, παρόμοιες με δέματα που περνούν από πολλά κέντρα διανομής. Η νέα προσέγγιση της ομάδας, όπως αναφέρουν, έχει εξαλείψει την ανάγκη για τέτοιες αναμεταδόσεις.
Στην πλευρά του διακομιστή του συστήματος βρίσκεται ένας “υπερ-οπτικός συνδυασμός” (super optical comb), ένα τσιπ χαμηλής συχνότητας μικρότερο από ένα νύχι, το οποίο παράγει δεκάδες εξαιρετικά σταθερές γραμμές λέιζερ που λειτουργούν στην ίδια συχνότητα. Αν η παραδοσιακή κβαντική επικοινωνία παρομοιαζόταν με δύο ανθρώπους να φωνάζουν σε μια κοιλάδα μέσα σε αέρα και βροχή, αυτός ο οπτικός συνδυασμός λειτουργεί ως ένα απόλυτα συγχρονισμένο μετρονόμος, επιτρέποντας σε κάθε συσκευή χρήστη να λειτουργεί με βάση έναν πανομοιότυπο, αμετάβλητο χρόνο, με εύρος γραμμής μόλις 40 Hz.
Στην πλευρά του πελάτη, η ομάδα κατασκεύασε 20 ανεξάρτητα κβαντικά τσιπ πομπού, τα οποία ενσωμάτωναν ένα πλήρες σύνολο λειτουργιών, επιτρέποντάς τους να λειτουργούν ως κβαντικοί τηλεγραφητές. Λειτουργώντας σε ζεύγη, μπορούν να λαμβάνουν σήματα χρονισμού από τον κεντρικό οπτικό συνδυασμό, να κωδικοποιούν πληροφορίες κλειδιού σε παλμούς φωτός και να τα στέλνουν μέσω 370 χιλιομέτρων οπτικής ίνας σε έναν κεντρικό διακομιστή.
Αυτό που έκανε αυτό το νέο σύστημα να ξεχωρίζει ήταν η σχετική ευκολία και το χαμηλό κόστος κατασκευής του. Ιστορικά, τα συστήματα QKD κατασκευάζονταν κατά παραγγελία, καθιστώντας τα απαγορευτικά ακριβά και μη πρακτικά για ευρεία χρήση. Αντίθετα, οι ερευνητές δήλωσαν ότι τόσο τα τσιπ του διακομιστή όσο και του πελάτη επέδειξαν υψηλή απόδοση, επαναληψιμότητα και ποσοστό λειτουργικής απόδοσης – κρίσιμες προϋποθέσεις για κλιμακούμενες κβαντικές συσκευές – και μπορούν να κατασκευαστούν από ώριμα βιομηχανικά πλακίδια (wafers).
Τα πειραματικά αποτελέσματα υπογράμμισαν την ανθεκτικότητα του συστήματος. Από τους 120 διαμορφωτές (modulators) σε 20 τυχαία επιλεγμένα τσιπ πελατών, οι 117 λειτούργησαν σωστά, αποδίδοντας 97,5% ποσοστό επιτυχίας λειτουργίας. Κάθε ζεύγος χρηστών μπορούσε να επικοινωνεί σε απόσταση 370 χιλιομέτρων, και η συνολική δικτυακή ικανότητα για όλους τους 20 χρήστες έφτασε τα 3.700 χιλιόμετρα.
Οι ερευνητές ελπίζουν ότι αυτό το μοντέλο θα μπορούσε να αποτελέσει τη ραχοκοκαλιά των διααστικών κβαντικών επικοινωνιών, υποστηρίζοντας εκατοντάδες χρήστες χωρίς την ανάγκη έμπιστων αναμεταδοτών. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα είναι η συμβατότητά του με την υπάρχουσα οπτική υποδομή, επιτρέποντας στα κβαντικά σήματα να μοιράζονται το ίδιο δίκτυο με την παραδοσιακή κίνηση του διαδικτύου, εξαλείφοντας την ανάγκη για εξειδικευμένη καλωδίωση.
Ωστόσο, το σύστημα δεν είναι ακόμη έτοιμο για καθημερινή χρήση σε γραφεία ή σπίτια, καθώς προς το παρόν λειτουργεί μόνο υπό προσεκτικά ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες. Παρόλα αυτά, η ερευνητική ομάδα έχει ήδη χαράξει την επόμενη φάση: την ενσωμάτωση ανιχνευτών μονοφωτονίων και μετατοπιστών οπτικής συχνότητας στο τσιπ του διακομιστή και την αύξηση του αριθμού των καναλιών μικροσυνδυασμού (microcomb). Θεωρητικά, αυτή η πλατφόρμα θα μπορούσε να επεκταθεί για να υποστηρίξει εκατοντάδες χρήστες, με μεμονωμένους κβαντικούς συνδέσμους έως και 1.000 χιλιομέτρων.
