Kan kwantumcommunicatie onder water werken?

Als het gaat om het veilig verzenden van informatie, is er een techniek die opvalt tussen alle anderen. Quantum key distributie maakt het mogelijk om perfect geheime berichten te sturen. En omdat het wordt gegarandeerd door de wetten van de fysica, het bereikt zo veel geheimhouding mogelijk.

Het is dan ook geen verrassing dat overheden, militairen en handelsorganisaties over de hele wereld geïnteresseerd zijn in het gebruik van de techniek. In feite is de kwantumverdeling van commerciële sleutels via glasvezel al in gebruik op verschillende locaties en onderzoekers hebben aangetoond dat de praktijk door vrije ruimte over afstanden van maximaal 144 kilometer.

Maar wat gebeurt er in het water? Het is gemakkelijk voor te stellen dat onderzeeërs geïnteresseerd zijn in het gebruik van dit soort communicatie, evenals onderwater sensor netwerken of autonome onderwater voertuigen, onder anderen. Maar dit roept een voor de hand liggende vraag op: is communicatie via zeewater mogelijk via deze vorm van kwantumveiligheid?

Het antwoord komt naar ons dankzij het werk van Peng Shi en zijn collega’s aan de Ocean University of China in Qingdao. Het team heeft berekend op welke afstand fotonen door het water kunnen reizen met behoud van de kwantuminformatie die ze dragen. En ze concluderen dat het mogelijk moet zijn om beveiligde communicatie te creëren met de kwantummechanica over afstanden tot 125 meter in helder oceaanwater.

Laten we eerst rekening houden met een aantal aspecten. Water absorbeert zichtbaar licht, maar demping is afhankelijk van de golflengten betrokken. Zo absorbeert het rood licht sterk, maar blauwgroen licht met een golflengte van tussen de 400 en 500 nm kan veel verder reizen. In feite hebben onderzoekers onlangs aangetoond dat het mogelijk is om informatie met een snelheid van 10 megabits per seconde te verzenden op afstanden tot 350 meter in helder oceaanwater.

Dus Peng en zijn medewerkers hebben uiteengezet om te onderzoeken of dit alles zou kunnen toestaan quantum communicatie over vergelijkbare afstanden. Om daar achter te komen, hebben ze eerst de snelheid berekend waarmee het gepolariseerde licht van 450 nanometer wordt gedimd in zeewater, en vervolgens het geluid berekend dat aanwezig zou zijn (en dus het noodzakelijke niveau van foutcorrectie).

Zij hebben geconcludeerd dat het mogelijk moet zijn om gegevens te verzenden met een snelheid van ongeveer 215 kilobits per seconde op een afstand van 125 meter in helder oceaanwater. “Het kan worden gebruikt om de meeste audio-informatie en een aantal low-bitrate video-informatie van onderwater communicatie te versleutelen,” zeggen ze.

Deze bitrate is redelijk voor afstanden die zeker nuttig zijn voor verschillende belanghebbenden. Het is niet moeilijk voor te stellen dat het kan worden gebruikt om een veilig videosignaal te sturen van een zelfstandige onderzeeër, bijvoorbeeld.

Natuurlijk vertegenwoordigen deze resultaten een theoretisch maximum. In de praktijk zouden de afstanden echter aanzienlijk korter zijn zonder technologieën die kunnen helpen bij het filteren van ruis. Peng en zijn team stellen voor om 450 nm filters op de detectoren te plaatsen, of ze alleen te laten zoeken naar fotonen tijdens de korte tijd die ze moeten aankomen.

Hoe dan ook, we zullen waarschijnlijk beginnen met het zien van experimenten op dit gebied relatief snel (als ze nog niet in het geheim worden uitgevoerd). Het is vermeldenswaard dat de eerste tests van quantum key distributie door de atmosfeer begon op zeer bescheiden afstanden. Hoewel in 2007 verschillende onderzoekers met succes het uitvoeren van quantum communicatie over een afstand van 144 km, het instellen van de theoretische maximum.

Hoe lang duurt het voordat oceanografen het theoretische maximum onder water bereiken?