UK-Canada research partnership aims to expand global quantum network

Wednesday, February 16, 2022

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The quantum internet will allow quantum-secure communication on a global scale. A new collaborative project between the UK and Canada, that has been awarded funding from the Quantum Communications Hub, will establish a key satellite link for quantum communication across the Atlantic.

Locks are pictured flying around the globe

Quantum key distribution (QKD) is a method for distributing encryption keys which is secure against eavesdropping or decryption. QKD is being rolled out worldwide across terrestrial, fibre-based networks. For intercontinental distances, QKD will have to rely on satellites, which exchange particles of light called photons with ground stations to generate the encryption keys.

The Quantum Encryption and Science Satellite (QEYSSat), led by the Canadian Space Agency and supported by researchers at the University of Waterloo, is currently on track to be launched into a low-earth orbit in early 2024. The new project awarded by the Hub to researchers at Heriot-Watt University will allow connections from UK-based ground stations to QEYSSat using a new high-rate entangled photon source.

Thomas Jennewein, faculty member at the University of Waterloo’s Institute for Quantum Computing, and QEYSSat Science Team lead scientist said:

“I am very excited as this new collaborative project allows us to extend our Canadian network to our UK partners, who are developing innovative solutions for high-rate photon pair sources, and to also study the interface between satellite links and ground networks.”

Quantum key distribution requires the exchange of individual photons—light particles—between sender and receiver. A unique feature of QEYSSat when compared to other quantum satellites is having the quantum receiver on the satellite. Putting sensitive detectors in space has challenges but enables photonic uplinks in addition to downlinks, which allows us to test how new quantum sources on the ground improve the uplink quality.

The research teams on both sides of the Atlantic will exploit the uplink feature and develop quantum sources capable of distributing pairs of entangled photons from the ground to QEYSSat, as well as simultaneously to remote terrestrial fibre networks. Entanglement is the unique property of quantum physics that gives correlations – stronger than any with which we are familiar in everyday life – between two or more quantum systems, even when these are separated by large distances. This correlation allows the ground stations, which are often located outside of cities to benefit from reduced levels of light pollution and atmospheric turbulence, to connect to metropolitan fibre networks, thus enabling truly intercontinental quantum networks between end users in the UK and Canada.

Alessandro Fedrizzi, lead investigator for Heriot-Watt University said:

“The QEYSSat satellite will be one of the most advanced quantum satellites in orbit, and this new collaboration will allow us to conduct quantum experiments including secure encryption on a truly global scale.”

This project also augments the work already being carried out by the Quantum Communications Hub - funded through the UK National Quantum Technologies Programme - in its extensive programme of work on satellite QKD. The Hub, which includes Fedrizzi and his group in its investigating team, is developing a satellite QKD In-Orbit Demonstrator (IOD) which includes a CubeSat (small satellite) and an optical ground station, both of which will be fitted with Hub-developed quantum technologies. The technology developed through this project will directly complement the Hub’s IOD when this is launched later in the Hub project lifetime.

Further progress towards a global quantum secured communications network in space is being made through another on-going project that received funding bilaterally from the UK (via Innovate UK) and Canada (via Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada) in November 2020, which will further expand the capabilities of the QEYSSat mission. The consortium project, ‘ReFQ’, which is jointly led by Quantum Communications Hub partners Craft Prospect (UK team) and the University of Waterloo (Canadian team together with Honeywell Canada, the Canadian Space Agency, and the University of Calgary), aims to integrate a source of quantum signals developed by Hub partners the Universities of Bristol and Strathclyde with a novel protocol devised by the University of Waterloo team. This system will enable the QEYSSat microsatellite to transmit quantum signals using auto-compensation that will simplify the alignment between space and ground quantum states. The transmitter will connect with ground stations on both sides of the Atlantic, acting as a proof-of-concept demonstration for a global quantum secured communications network.


Locks are pictured flying around the globe
Un partenariat de recherche Royaume-Uni–Canada vise l’expansion d’un réseau quantique mondial

Un réseau Internet quantique rendra possible des communications quantiques sûres à l’échelle mondiale. Un nouveau projet de collaboration entre le Royaume-Uni et le Canada, qui vient de recevoir des fonds de l’organisme britannique Quantum Communications Hub, établira une liaison satellite importante pour des communications quantiques transatlantiques.

La distribution quantique de clés (DQC) est une méthode de distribution de clés de cryptage à l’épreuve des intrusions ou du décryptage. La DQC est en cours de déploiement à l’échelle planétaire par des réseaux terrestres de fibres optiques. Pour des liaisons intercontinentales, la DQC devra compter sur des satellites qui échangent des photons (particules de lumière) avec des stations au sol pour produire les clés de cryptage.

Le QEYSSat (Quantum Encryption and Science Satellite – Satellite de cryptographie et physique quantiques), construit par l’Agence spatiale canadienne avec le soutien de chercheurs de l’Université de Waterloo, devrait être lancé et placé sur orbite basse au début de 2024. Le nouveau projet — pour lequel des chercheurs de l’Université Heriot-Watt ont obtenu des fonds de Quantum Communications Hub (le Hub) — permettra de relier au QEYSSat des stations au sol situées au Royaume-Uni, à l’aide d’une nouvelle source à haut débit de photons intriqués.

Thomas Jennewein, professeur à l’Institut d’informatique quantique de l’Université de Waterloo et responsable de l’équipe scientifique du QEYSSat, a déclaré :

« Je suis très enthousiasmé, parce que ce nouveau projet de collaboration permet d’étendre notre réseau canadien à nos partenaires du Royaume-Uni, qui élaborent des moyens innovateurs de produire à haut débit des paires de photons, et aussi d’étudier l’interface entre liaisons satellitaires et réseaux au sol. » [traduction]

Le DQC exige l’échange de photons individuels entre les parties. Le QEYSSat se distingue des autres satellites quantiques par le fait que le récepteur quantique est à bord du satellite. L’envoi de détecteurs sensibles dans l’espace pose des défis, mais il rend possibles des liaisons photoniques montantes aussi bien que descendantes, ce qui permet de tester jusqu’à quel point de nouvelles sources quantiques au sol améliorent la qualité des liaisons montantes.

Les équipes de recherche de part et d’autre de l’Atlantique exploiteront cette liaison montante et mettront au point des sources quantiques capables d’envoyer des paires de photons intriqués du sol au QEYSSat, et simultanément à des réseaux terrestres de fibres optiques situés à une certaine distance. L’intrication est une propriété caractéristique de la physique quantique qui produit des corrélations — plus fortes que toutes celles qui nous sont familières dans la vie quotidienne — entre 2 ou plusieurs systèmes quantiques, même si ces derniers sont très éloignés l’un de l’autre. Cette corrélation permet aux stations au sol — qui sont souvent placées à l’extérieur des villes afin de bénéficier de niveaux moindres de pollution lumineuse et de turbulences atmosphériques — d’être reliées aux réseaux métropolitains de fibres optiques, ce qui donne des réseaux quantiques vraiment intercontinentaux entre usagers situés au Royaume-Uni et au Canada.

Alessandro Fedrizzi, chercheur principal à l’Université Heriot-Watt, a déclaré :

« Le QEYSSat sera l’un des satellites quantiques en orbite les plus avancés, et cette nouvelle collaboration nous permettra d’effectuer à une échelle vraiment planétaire des expériences quantiques comprenant un cryptage sûr. » [traduction]

Ce projet s’ajoute aussi aux travaux déjà effectués par le Hub — et financés par le Programme national de technologies quantiques du Royaume-Uni — dans le cadre de son vaste programme de travaux sur la DQC par satellite. Le Hub, dont l’équipe de recherche comprend M. Fedrizzi et ses collaborateurs, met au point un démonstrateur en orbite (IOD) de DQC par satellite comprenant un petit satellite (CubeSat) et une station optique au sol, tous deux équipés de technologies quantiques développées par le Hub. La technologie résultant de ce projet complétera directement l’IOD du Hub lorsque le satellite sera lancé au cours d’une phase ultérieure du projet.

D'autres progrès en vue d’un réseau mondial de communications quantiques sûres dans l’espace sont réalisés dans le cadre d’un autre projet qui accroîtra les capacités de la mission QEYSSat. Ce projet a obtenu en novembre 2020 un financement bilatéral du Royaume-Uni (par Innovate UK) et du Canada (par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada). Le projet du consortium, ReFQ — dirigé conjointement par Craft Prospect, partenaire du Hub (équipe britannique) et l’Université de Waterloo (équipe canadienne qui comprend aussi Honeywell Canada, l’Agence spatiale canadienne et l’Université de Calgary), — vise à intégrer une source de signaux quantiques mise au point par les universités de Bristol et de Strathclyde, également partenaires du Hub, et un nouveau protocole conçu par l’équipe de l’Université de Waterloo. Ce système permettra au microsatellite QEYSSat de transmettre des signaux quantiques en utilisant une autocompensation qui simplifiera la synchronisation des états quantiques dans l’espace et au sol. Le transmetteur sera relié aux stations au sol de part et d’autre de l’Atlantique, ce qui constituera une démonstration de faisabilité d’un réseau mondial de communications quantiques sûres.

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