Comunicacions quàntiques intercontinentals del món real habilitades pel satèl·lit Micius

Un equip de la Xina i un altre d'Àustria, han realitzat una distribució quàntica entre el satèl·lit de ciència quàntica Micius i diverses estacions terrestres situades a Xinglong (prop de Beijing), Nanshan (prop d'Urumqi) i Graz (prop de Viena). Aquests experiments demostren l'intercanvi de claus criptogràfiques entre satèl·lit i terra durant el pas del satèl·lit Micius per una estació terrestre. Usant Micius, es va crear una clau secreta entre la Xina i Europa en llocs separats fins a 7.600 km a la Terra.

Les comunicacions privades i segures són fonamentals per a l'ús d'Internet i el comerç electrònic, i és important establir una xarxa segura amb protecció global de les dades. La criptografia tradicional de les claus públiques normalment es basa en la intractabilitat computacional de certes funcions matemàtiques. Per contra, la distribució de claus quàntiques (QKD) utilitza quantitats lleugeres individuals (fotons individuals) en estats de superposició quàntica per garantir la seguretat incondicional entre parts distants. Anteriorment, la distància de comunicació quàntica s'ha limitat a uns pocs centenars de quilòmetres a causa de pèrdues de fibra òptica o d'espai lliure terrestre. Una solució prometedora a aquest problema explota enllaços per satèl·lit i espai, que poden connectar convenientment dos punts remots a la Terra amb una pèrdua de canal molt reduïda.
Un equip multi-institucional i multidisciplinari de científics de l'Acadèmia Xinesa de Ciències, liderat pel professor Jian-Wei Pan, ha dedicat més de 10 anys a desenvolupar un satèl·lit sofisticat, Micius, dedicat als experiments de ciències quàntiques, que es va començar l'agost de 2016 i en òrbites a una altitud de ~ 500 km. Cinc estacions de terra a la Xina es coordinen amb el satèl·lit Micius. Aquestes estan ubicades a Xinglong (prop de Beijing), Nanshan (a prop d'Urumqi), Delingha (37 ° 22'44.43''N, 97 ° 43'37.01 "E), Lijiang (26 ° 41'38.15''N, 100 ° 1 '45.55''E) i Ngari al Tibet (32 ° 19'30.07''N, 80 ° 1'34.18''E).
Un any després del llançament, es van assolir tres fites clau per a una Internet quàntica a escala global:

• L'OKD amb una taxa de kHz a una distància de 1200 km (Liao et al. 2017, Nature 549, 43).
• La Distribució d'entrellaçament basada en satèl·lits a dues ubicacions a la Terra separares uns 1200 km.
• La prova de Bell (Yin et al. 2017, Science 356, 1140) i el teletransport quàntic terrestre a satèl·lit (Ren et al. 2017, Nature 549, 70).

L'eficàcia del vincle efectiu en el QKD basat en satèl·lit es va mesurar fins a ordres de magnitud 20 vegades més grans que la transmissió directa a través de fibres òptiques a la mateixa longitud de 1200 km. Els tres experiments són els primers passos cap a un Internet quàntic basat en l'espai global.
El QKD basat en satèl·lit s'ha combinat ara amb xarxes quàntiques metropolitanes, en què les fibres s'utilitzen per connectar de manera eficient i còmoda a nombrosos usuaris dins d'una ciutat a una distància d'uns 100 km. Per exemple, l'estació de Xinglong s'ha connectat a la xarxa quàntica metropolitana multi-node a Beijing a través de fibres òptiques. Molt recentment, a Xina, l'equip del Professor Pan ha establert la major cadena de comunicació quàntica a la Xina, que uneix Pequín amb Xangai (a través de Jinan i Hefei, i 32 relleus de confiança) amb una longitud de fibra de 2000 km.

Transferència de fitxers  Font: Universitat de Ciència i Tecnologia de la Xina

El satèl·lit Micius pot ser aprofitat addicionalment com un substitut o relleu de confiança per connectar convenientment dos punts qualsevols  a la Terra per a un canvi de clau d'alta seguretat. Per mostrar encara més el satèl·lit Micius com una plataforma robusta per a la distribució de claus quàntiques amb diferents estacions terrestres a la Terra, QKD del satèl·lit Micius a l'estació de terra de Garz, prop de Viena, també s'ha realitzat amb èxit recentment en col·laboració amb el professor Anton Zeilinger de l'Acadèmia Austríaca de Ciències. El satèl·lit estableix així una clau segura entre ell i, per exemple, Xinglong, i una altra clau entre ell i, per exemple, Graz. Després, a petició de les estacions de comandament de la terra, Micius actua com un substitut de confiança. Realitza operacions OR exclusives bit a bit entre les dues claus i retransmet el resultat a una de les estacions de terra. D'aquesta manera, es crea una clau secreta entre Xina i Europa en llocs separats per 7600 km a la Terra. Aquest treball apunta cap a una solució eficient per a una xarxa quàntica global ultra-llarga.
Es va transmetre una imatge de Micius (amb una mida de 5.34 kB) de Beijing a Viena, i una imatge de Schrödinger (amb una mida de 4,9 kB) de Viena a Pequín, utilitzant una clau quàntica de 80 kbit aproximadament per a un sol ús de codificació.

També es va realitzar una videoconferència intercontinental entre l'Acadèmia de Ciències de la Xina i l'Acadèmia de Ciències de l'Àustria, amb el protocol Advanced Encryption Standard (AES) -128 que actualitzava les claus de llavor de 128 bits cada segon. La videoconferència va durar 75 minuts amb una transmissió de dades total d'uns 2 GB, que incloïa 560 kbit de la clau quàntica intercanviada entre Àustria i la Xina. L'estudi es publicarà a Physical Review Letters.

Font: Universitat de Ciència i Tecnologia de la Xina