Un team congiunto Cina-Austria ha eseguito la distribuzione di chiavi quantistiche tra il satellite di scienza quantistica Micius e più stazioni di terra situate a Xinglong (vicino a Pechino), Nanshan (vicino a Urumqi), e Graz (vicino a Vienna). Tali esperimenti dimostrano lo scambio sicuro satellite-terra di chiavi crittografiche durante il passaggio del satellite Micius su una stazione di terra. Usando Micius come relè fidato, è stata creata una chiave segreta tra Cina ed Europa in località separate fino a 7, 600 km sulla Terra.

Le comunicazioni private e sicure sono fondamentali per l'uso di Internet e per l'e-commerce, ed è importante stabilire una rete sicura con protezione globale dei dati. La crittografia a chiave pubblica tradizionale di solito si basa sull'intrattabilità computazionale di determinate funzioni matematiche. In contrasto, La distribuzione della chiave quantistica (QKD) utilizza quanti di luce individuali (singoli fotoni) negli stati di sovrapposizione quantistica per garantire la sicurezza incondizionata tra parti distanti. In precedenza, la distanza di comunicazione quantistica è stata limitata a poche centinaia di chilometri a causa delle perdite dei canali ottici delle fibre o dello spazio libero terrestre. Una soluzione promettente a questo problema sfrutta collegamenti satellitari e spaziali, che può comodamente collegare due punti remoti sulla Terra con una perdita di canale notevolmente ridotta, poiché la maggior parte del percorso di propagazione dei fotoni avviene attraverso lo spazio vuoto con perdita e decoerenza trascurabili.

Un team interdisciplinare multi-istituzionale di scienziati dell'Accademia cinese delle scienze, guidato dal professor Jian-Wei Pan, ha trascorso più di 10 anni a sviluppare un sofisticato satellite, Micio, dedicato agli esperimenti di scienza quantistica, che è stato lanciato nell'agosto 2016 e orbita a un'altitudine di ~500 km. Cinque stazioni di terra in Cina si coordinano con il satellite Micius. Questi si trovano a Xinglong (vicino a Pechino), Nanshan (vicino a Urumqi), Delingha (37°22'44.43''N, 97°43'37.01"E), Lijiang (26°41'38.15''N, 100°1'45.55''E), e Ngari in Tibet (32°19'30.07''N, 80°1'34.18''E).

Entro un anno dal lancio, sono state raggiunte tre pietre miliari chiave per un Internet quantistico su scala globale:QKD esca satellite-terra con frequenza kHz su una distanza di ~ 1200 km (Liao et al. 2017, Natura 549, 43); distribuzione dell'entanglement satellitare in due posizioni sulla Terra separate da ~1200 km e test di Bell (Yin et al. 2017, Scienza 356, 1140), e teletrasporto quantistico terra-satellite (Ren et al. 2017, Natura 549, 70). Le efficienze di collegamento effettive nel QKD satellitare sono state misurate in circa 20 ordini di grandezza maggiori della trasmissione diretta attraverso fibre ottiche alla stessa lunghezza di 1200 km. I tre esperimenti sono i primi passi verso un Internet quantistico globale basato sullo spazio.

Il QKD satellitare è stato ora combinato con le reti quantistiche metropolitane, in cui le fibre vengono utilizzate per connettere in modo efficiente e conveniente numerosi utenti all'interno di una città su una scala di distanza di ~100 km. Per esempio, la stazione di Xinglong è stata ora collegata alla rete quantistica metropolitana multi-nodo di Pechino tramite fibre ottiche. Molto recentemente, la più grande dorsale di comunicazione quantistica basata su fibra è stata costruita in Cina, anche dal team del professor Pan, che collega Pechino a Shanghai (passando per Jinan e Hefei, e 32 relè fidati) con una lunghezza di fibra di 2000 km. La spina dorsale è in fase di test per applicazioni del mondo reale da parte del governo, banche, titoli e compagnie di assicurazione.

Il satellite Micius può essere ulteriormente sfruttato come relè affidabile per collegare comodamente due punti qualsiasi sulla Terra per uno scambio di chiavi ad alta sicurezza. Per dimostrare ulteriormente il satellite Micius come una solida piattaforma per la distribuzione di chiavi quantistiche con diverse stazioni di terra sulla Terra, Anche il QKD dal satellite Micius alla stazione di terra di Garz vicino a Vienna è stato eseguito con successo questo giugno in collaborazione con il professor Anton Zeilinger dell'Accademia austriaca delle scienze. Il satellite stabilisce così una chiave sicura tra se stesso e, dire, Xinglong, e un'altra chiave tra sé e, dire, Graz. Quindi, su richiesta delle stazioni di comando di terra, Micius funge da relè fidato. Esegue operazioni di OR esclusivo bit per bit tra le due chiavi e trasmette il risultato a una delle stazioni di terra. Quel modo, viene creata una chiave segreta tra la Cina e l'Europa in luoghi separati da 7600 km sulla Terra. Questo lavoro punta verso una soluzione efficiente per una rete quantistica globale a lunghissima distanza.

Un'immagine di Micio (con una dimensione di 5,34 kB) è stata trasmessa da Pechino a Vienna, e una foto di Schrödinger (con una dimensione di 4,9 kB) da Vienna a Pechino, utilizzando una chiave quantistica sicura di circa 80 kbit per la codifica one-time pad.

Si è tenuta anche una videoconferenza intercontinentale tra l'Accademia cinese delle scienze e l'Accademia delle scienze austriaca, utilizzando il protocollo Advanced Encryption Standard (AES)-128 che aggiornava le chiavi seed a 128 bit ogni secondo. La videoconferenza è durata 75 min con una trasmissione dati totale di ~2 GB, che includeva 560 kbit della chiave quantistica scambiata tra Austria e Cina. Lo studio sarà pubblicato su Lettere di revisione fisica .