Κβαντική επικοινωνία 254 χλμ σε εμπορικό δίκτυο: Νέο ορόσημο για το κβαντικό διαδίκτυο

Για πρώτη φορά, επιστήμονες κατάφεραν να πραγματοποιήσουν συνεκτική κβαντική επικοινωνία σε δίκτυο εμπορικών οπτικών ινών μήκους 254 χιλιομέτρων στη Γερμανία, θέτοντας ένα σημαντικό ορόσημο στην πορεία προς το κβαντικό διαδίκτυο. Η επίτευξη, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, αποδεικνύει ότι προηγμένα πρωτόκολλα κβαντικής επικοινωνίας μπορούν να εφαρμοστούν με επιτυχία σε υφιστάμενη τηλεπικοινωνιακή υποδομή.

Η ομάδα του Mirko Pittaluga και των συνεργατών του χρησιμοποίησε την τεχνική της συνεκτικής κβαντικής κατανομής κλειδιών τύπου twin-field (TF-QKD), ένα πρωτόκολλο που εκμεταλλεύεται τη δυνατότητα των φωτεινών κυμάτων να διατηρούν προβλέψιμη φάση (coherence), κάτι κρίσιμο για την επέκταση της εμβέλειας των κβαντικών επικοινωνιών. Σε αντίθεση με προηγούμενες προσεγγίσεις που απαιτούσαν εξειδικευμένο εξοπλισμό όπως ψυγεία κρυογενετικής, η συγκεκριμένη υλοποίηση λειτουργεί σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, καθιστώντας την πιο πρακτική για ευρεία ανάπτυξη.

Το δίκτυο κβαντικής επικοινωνίας εγκαταστάθηκε μεταξύ τριών κέντρων δεδομένων στη Φρανκφούρτη, το Κηλ και το Κίρχφελντ της Γερμανίας, με τη χρήση 254 χλμ εμπορικής οπτικής ίνας—την μεγαλύτερη απόσταση που έχει επιτευχθεί μέχρι σήμερα για κβαντική επικοινωνία σε ρεαλιστικές συνθήκες. Σύμφωνα με τους συγγραφείς, το πείραμα αποτελεί την πρώτη αναφορά για συνεκτική κβαντική επικοινωνία που βασίζεται σε υποδομή δικτύου ευρείας χρήσης.

Τεχνικές καινοτομίες που ξεχωρίζουν

Η τεχνική TF-QKD που χρησιμοποιήθηκε βασίζεται στην αρχιτεκτονική μέτρησης χωρίς εμπιστοσύνη (MDI-QKD), όπου η μέτρηση των φωτονίων γίνεται από έναν μη αξιόπιστο κόμβο (συνήθως ονομάζεται “Charlie”), εξαλείφοντας την ανάγκη για ασφαλείς ανιχνευτές στις άκρες του δικτύου. Αυτή η σχεδίαση προσφέρει εγγενή ανθεκτικότητα απέναντι σε αρκετές γνωστές επιθέσεις σε επίπεδο εξοπλισμού.

Επιπλέον, το σύστημα κατόρθωσε να διατηρήσει τη συνεκτικότητα των φωτονίων ακόμα και σε συνθήκες μεταβαλλόμενης θερμοκρασίας και φυσικής καταπόνησης των καλωδίων οπτικής ίνας, αποδεικνύοντας υψηλή ανθεκτικότητα σε περιβαλλοντικές παρεμβολές.

Στην πράξη, η κατανομή κλειδιών πραγματοποιήθηκε με ρυθμό 110 bit/δευτερόλεπτο σε απόσταση 254 χιλιομέτρων χωρίς χρήση ενισχυτών ή ενδιάμεσων επαναληπτών, κάτι που καταδεικνύει την ωριμότητα της τεχνολογίας.

Απόδειξη για την πρακτική υλοποίηση του κβαντικού διαδικτύου

Η επίδειξη δείχνει ότι τεχνικές που θεωρούνταν μέχρι σήμερα δύσκολες ή θεωρητικές μπορούν να υλοποιηθούν σε υπάρχον εμπορικό τηλεπικοινωνιακό εξοπλισμό, κάτι που καθιστά το όραμα ενός πρακτικού και εμπορικά βιώσιμου κβαντικού διαδικτύου πιο ρεαλιστικό από ποτέ.

Αξίζει να σημειωθεί ότι οι κβαντικές επικοινωνίες δεν αφορούν αποκλειστικά την ασφάλεια· στο μέλλον αναμένεται να αξιοποιηθούν και για εξαιρετικά συγχρονισμένες επικοινωνίες, πλοήγηση, ακόμα και για την υποστήριξη εφαρμογών στη φυσική ή την αστρονομία που απαιτούν απόλυτη ακρίβεια χρονισμού.

Το επόμενο βήμα

Με τέτοιου είδους αποτελέσματα, οι ερευνητές ενισχύουν την περίπτωση για ευρωπαϊκά και διεθνή έργα ανάπτυξης εθνικών και διακρατικών κβαντικών δικτύων. Αντί για ένα ενιαίο "κβαντικό διαδίκτυο", το πιθανότερο είναι να δημιουργηθούν πρώτα κβαντικοί πυρήνες (quantum hubs) σε στρατηγικά σημεία, που σταδιακά θα συνδέονται μεταξύ τους.