Kwantumsleutel reist 18 kilometer door de lucht en via glasvezel

Een team van de Universiteit van Padua slaagde erin een encryptiesleutel te versturen die deels door de open lucht en deels door een glasvezelkabel reisde. De proef vond plaats in de Colli Euganei, een heuvelgebied in Noordoost-Italië. Een zender op de berg Monte Grande stuurde het signaal 18 kilometer door de lucht naar een ontvangststation op de universiteit. Vandaar ging het signaal nog een half kilometer verder door standaard telecomglasvezel naar de uiteindelijke ontvanger. De resultaten zijn gepubliceerd in het vaktijdschrift npj Quantum Information.

De techniek heet kwantumsleuteldistributie (QKD) en gebruikt de wetten van de kwantummechanica om een geheime sleutel te delen tussen twee partijen. Bijzonder aan deze sleutel is dat afluisteren onvermijdelijk sporen achterlaat: elke poging om de fotonen te meten, verstoort hun toestand en dat is meetbaar. De sleutel zelf verstuurt geen berichten, maar wordt gebruikt om gewone versleutelde communicatie te beveiligen.

De atmosfeer als grootste obstakel

Het lastigste probleem was niet de afstand, maar de lucht zelf. Temperatuurverschillen en wind zorgen voor kleine, snel wisselende verstoringen die een lichtstraal laten trillen, vergelijkbaar met de warmtewalm boven een hete weg. Dat maakt het moeilijk om het signaal precies in de kern van een glasvezelnetwerk te richten, waar het uiteindelijk in moet.

Om dit op te lossen, gebruikten de onderzoekers een telescoop met een lens van 41 centimeter, een sensor die de vorm van het binnenkomende licht duizenden keren per seconde meet, en een spiegel met 64 kleine motortjes die zich voortdurend aanpast om de verstoring te compenseren. Dit systeem corrigeerde niet alleen zijwaartse verschuivingen van de lichtstraal, maar ook complexere vervormingen van het lichtfront zelf. Na correctie kwam gemiddeld 12 procent van het oorspronkelijke licht in de glasvezel terecht, tegenover een voorspelde 19 procent op basis van de sensormetingen. Het verschil kwam volgens de onderzoekers vooral door handmatige uitlijning van de vezel.

Werkt ook met goedkopere apparatuur

De onderzoekers testten twee soorten lichtdetectoren. Met supergeleidende detectoren, die tot bijna het absolute nulpunt gekoeld moeten worden, haalden ze een sleutelsnelheid van ongeveer 1.000 bits per seconde. Detectoren die bij kamertemperatuur werken, en dus veel goedkoper en compacter zijn, haalden zo'n 200 bits per seconde. Dat is te weinig voor gewoon dataverkeer, maar voldoende om regelmatig een nieuwe sleutel te verversen.

Het totale signaalverlies over het hele traject liep op tot 30 decibel, wat betekent dat maar ongeveer een duizendste van het oorspronkelijke licht de eindbestemming haalde. Dat is een niveau waarbij veel commerciële QKD-apparatuur, die meestal is ontworpen voor glasvezelnetwerken, al tegen zijn grenzen aanloopt. Doordat het systeem dit verlies toch aankon, laat de proef zien dat bestaande apparatuur mogelijk ook geschikt is voor toekomstige netwerken die glasvezel, open lucht en satellietverbindingen combineren, zoals nodig is voor een compleet kwantuminternet en optische ruimtecommunicatie met satellieten.