A concept for a Canada-wide quantum internet

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Group launching quantum satellite releases next generation mission proposal as a step towards a Canadian quantum internet

By Naomi Grosman

Quantum EncrYption and Science Satellite (QEYSSat), a satellite demonstrating secure ground-to-space quantum communication, will soon orbit the earth. And the researchers at the University of Waterloo’s Institute for Quantum Computing (IQC) that are making that happen, along with collaborators at the University of Calgary and the Institut national d'optique (INO), have published a white paper outlining a future mission opportunity to establish a step towards a Canada wide quantum internet.

QEYSSat 2.0—white paper on satellite-based quantum communication missions in Canada

Quantum entanglement is when two or more particles become connected, so their states are dependent on each other, regardless of distance. Teleportation is a transfer of this quantum state from one location to another.

Kuntz says it’s possible to distribute these quantum states over ground-based optical fibers to distances of about 400 kilometres. But they lose their quantum properties due to both interaction with the environment and the exponentially increasing absorption, making it currently unfeasible to extend this distance much further other than by using satellite-based systems.

“Entanglement distribution and teleportation forms the backbone of a quantum internet,” Kuntz says. “If you replace a classical computer with a quantum device now you are connecting quantum systems, and for that we need a quantum internet. All these satellites being launched are testing the principles of whether we can make a quantum internet.”

She says there are fundamental questions about quantum states still unanswered and, overall, Canada punches above its weight in quantum technology and science and has the goods to make a quantum network happen.

Preparing this vision and a possible roadmap brings together all the information and ideas to relieve current bottlenecks standing in the way of realizing a quantum internet network in Canada and pushes the country towards it faster.

She says that worldwide there are about 20 known quantum communication satellite missions currently in preparation stages, some of which will be launched soon. But part of what makes QEYSSat unique is that it involves several ground stations in Canada, and will also interact with international stations, including in the U.S., Australia, Japan, Germany, Poland and the U.K.

With ground stations across Canada and internationally, the mission is a technology demonstration platform to study quantum links and Quantum Key Distribution — the generation of encryption keys between two users whose information, based on the principles of quantum physics, cannot be copied or manipulated without being noticed.

“Because we have all these different ground stations in different climates and at various elevations we can discern optimal sources, configurations and setup to get the best signal up to the quantum receiver onboard our satellite,” Kuntz says.

“Other missions have done parts of what we are doing but, put together, this mission is unlike what has been done before.”

Beyond launching a satellite for secure quantum communications, and creating a roadmap for quantum network infrastructure, the QEYSSat mission is also about advancing the understanding of the fundamental nature of our universe.

“There are also science demonstrations to answer questions like whether entanglement will hold over these vast distances because it’s a phenomenon that doesn't seem to have a distance limitation. Exploring new science is another key part to long range quantum communications with satellites, and this approach will continue with the envisioned QEYSSat 2.0 mission.” Kuntz says.

Dr. Thomas Jennewein, IQC affiliate and adjunct faculty, Department of Physics and Astronomy, University of Waterloo, led the development of the white paper and is also the initiator and science lead of QEYSSat. He was recently appointed Canada Excellence Research Chair at Simon Fraser University where he is a professor.

L’ébauche d’un Internet quantique pancanadien

Un groupe se préparant à lancer un satellite quantique propose une mission de prochaine génération en vue d’un Internet quantique pancanadien

Par Naomi Grosman

Le satellite de cryptographie et physique quantiques QEYSSat, qui vise à établir une communication quantique sécurisée entre la Terre et l’espace, sera bientôt en orbite. Les chercheurs qui travaillent sur ce projet à l’Institut d’informatique quantique (IQC) de l’Université de Waterloo ont d’ailleurs publié, avec des collaborateurs de l’Université de Calgary et de l’Institut national d’optique (INO), un livre blanc présentant une potentielle mission pour rapprocher le Canada d’un Internet quantique national.

L’intrication quantique est un phénomène par lequel plusieurs particules se trouvent liées de sorte que leur état est interdépendant, peu importe la distance qui les sépare. La téléportation consiste à transférer cet état quantique d’un endroit à un autre.

Katanya Kuntz explique qu’il est possible de distribuer ces états quantiques par voie terrestre sur environ 400 kilomètres à l’aide de fibre optique. Cependant, les propriétés quantiques peuvent se perdre en raison des interactions avec l’environnement et de l’absorption exponentielle, si bien qu’il est actuellement impossible de réellement prolonger cette distance autrement que par satellite.

« La distribution d’intrication et la téléportation sont l’épine dorsale de l’Internet quantique, poursuit la chercheuse. Lorsque les ordinateurs traditionnels sont remplacés par des appareils quantiques, ils ont besoin d’un Internet quantique pour communiquer entre eux. Tous ces satellites mis en orbite servent à vérifier la faisabilité d’un tel réseau. »

Elle précise que même si des questions fondamentales sur les états quantiques demeurent sans réponse, le Canada est somme toute en avance en sciences et technologies quantiques, et il aurait les moyens de créer un réseau quantique.

En préparant une feuille de route potentielle pour cette vision, l’équipe consolide toutes les informations et idées pour éliminer les goulots d’étranglement actuels qui empêchent la concrétisation d’un Internet quantique pancanadien et accélérer les choses.

Katanya Kuntz souligne qu’il existe actuellement une vingtaine de missions de satellite quantique en préparation dans le monde, dont certaines seront lancées bientôt. Mais ce qui rend QEYSSat unique, c’est qu’en plus de ses multiples stations terrestres au Canada, le satellite communiquera avec des stations internationales d’autres pays, comme les États-Unis, l’Australie, le Japon, l’Allemagne, la Pologne et le Royaume-Uni.

Grâce à toutes ces stations, la mission deviendra une plateforme de démonstration technologique pour étudier les liens quantiques et la distribution quantique de clés (un produit de la physique quantique permettant de générer des clés de chiffrement pour prévenir la copie ou la manipulation non détectée de l’information échangée entre deux utilisateurs).

« Puisque nous aurons accès à des stations terrestres dans divers climats et à différentes altitudes, nous serons en mesure de déterminer les meilleures sources, configurations et dispositions pour envoyer un signal optimal au récepteur quantique du satellite, se réjouit Katanya Kuntz.

D’autres missions ont déjà fait des parties de ce travail, mais QEYSSat innove en rassemblant le tout en un même projet. »

Au-delà de la mise en orbite d’un satellite pour les communications quantiques sécurisées et de l’élaboration d’une feuille de route pour l’infrastructure du réseau quantique, la mission a pour objectif d’approfondir la compréhension de la nature même de l’univers.

« Les démonstrations scientifiques visent aussi à déterminer, par exemple, si l’intrication peut survivre à de telles distances, puisque c’est un phénomène qui ne semble pas avoir de limite spatiale. L’approfondissement de la science est un autre aspect central des communications quantiques sur de grandes distances par satellite, et la mission QEYSSat 2.0 poursuivra sur cette lancée. »

La rédaction du livre blanc a été dirigée par Thomas Jennewein, membre affilié de l’IQC et professeur adjoint au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, qui est aussi initiateur et directeur scientifique de QEYSSat. Thomas Jennewein est aussi professeur à l’Université Simon-Fraser, où il occupe depuis peu la chaire d’excellence en recherche du Canada.