La distribuzione di chiavi quantistiche (QKD) è ampiamente considerata la forma più avanzata di crittografia quantistica, e offre una strada verso una sicurezza praticamente inviolabile per il futuro internet quantistico. Una tecnologia promettente alla base di questi sistemi sicuri è rappresentata dai punti quantici a semiconduttore (SQD), minuscole sorgenti luminose a stato solido in grado di generare singoli fotoni di alta qualità per la comunicazione quantistica. Questi dispositivi potrebbero contribuire ad aumentare la velocità di generazione di chiavi sicure, supportando al contempo i futuri ripetitori quantistici necessari per le reti quantistiche su larga scala.
Un altro importante sviluppo è la codifica a intervalli temporali, una tecnica che memorizza le informazioni nei tempi di arrivo dei fotoni. Questo metodo è particolarmente interessante per le comunicazioni quantistiche a lunga distanza perché è intrinsecamente resistente a molte delle perturbazioni ambientali che possono disturbare le reti in fibra ottica.
Crittografia quantistica stabile su una distanza di oltre 120 chilometri.
Un team di ricerca internazionale proveniente da università tedesche e cinesi ha dimostrato il primo vero sistema QKD a intervalli temporali, alimentato da un dispositivo a punti quantici a semiconduttore per telecomunicazioni, utilizzabile su richiesta. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati come immagine di copertina sulla rivista Light: Science & Applications .
Nell’esperimento, gli scienziati hanno generato tre stati di qubit a intervalli temporali separati, sia in modo deterministico che casuale, utilizzando un codificatore a intervalli temporali auto-stabilizzato. Il sistema converte singoli fotoni polarizzati prodotti da un punto quantico in banda C per telecomunicazioni in segnali quantistici codificati. In ricezione, i qubit fotonici sono stati decodificati con un interferometro stabilizzato attivamente contenente uno sfasatore, che ha permesso al sistema di funzionare per periodi prolungati senza regolazioni manuali.
I ricercatori sono riusciti a trasmettere i segnali quantistici attraverso un collegamento in fibra ottica di oltre 120 chilometri tra il codificatore e il decodificatore. Il sistema ha inoltre mantenuto un’impressionante stabilità durante oltre sei ore di funzionamento continuo.
Elevati tassi di sicurezza delle chiavi con i punti quantici
L’esperimento di prova di concetto ha raggiunto il più alto tasso di generazione di chiavi sicure finora riportato per un sistema QKD a intervalli temporali basato su un dispositivo a punti quantici ad alte prestazioni. La sorgente di punti quantici ha prodotto singoli fotoni brillanti e di elevata purezza a una frequenza operativa di circa 76 MHz.
Anche dopo aver percorso 120 chilometri di fibra ottica standard, il sistema ha mantenuto un tasso medio di errore sui bit quantistici inferiore all’11%. In condizioni pratiche di chiave finita, la configurazione ha mantenuto una velocità media di chiave sicura di circa ~15 bit/s, un livello considerato adeguato per applicazioni di messaggistica crittografata nel mondo reale.
I ricercatori hanno sottolineato l’importanza di questo progresso:
“I punti quantici (QD) in banda di telecomunicazione con potenziamento Purcell possono fornire fotoni ad alta luminosità adatti alle comunicazioni in fibra interurbane, il che li rende candidati promettenti per l’integrazione in sistemi QKD pratici.”
La codifica Time-Bin migliora la stabilità nel mondo reale
Il team ha inoltre evidenziato i vantaggi della codifica a intervalli temporali rispetto a molti sistemi QKD basati su punti quantici esistenti, che possono essere altamente sensibili alle perturbazioni ambientali.
“La maggior parte dei sistemi QKD basati su punti quantici (QD) attualmente esistenti sono vulnerabili alle variazioni del canale quantistico effettivo causate da fattori ambientali, come turbolenza, temperatura e vibrazioni. Ciò rende necessaria una compensazione attiva. Al contrario, la codifica a intervalli temporali, in cui i qubit vengono codificati nella posizione temporale dei singoli fotoni, offre una stabilità intrinseca contro tali fluttuazioni del canale anche senza complessi protocolli di compensazione.”
Secondo gli scienziati, il lungo tempo di funzionamento ininterrotto del sistema dimostra la robustezza dell’approccio.
“Il sistema funziona ininterrottamente per 6 ore, evidenziando l’intrinseca robustezza dello schema a intervalli temporali reso possibile dal sistema, che include l’interferometro di Sagnac (SNI), il controllo attivo a feedback, ecc.”
Secondo i ricercatori, questo lavoro rappresenta un passo importante verso sistemi di comunicazione quantistica pratici e scalabili, che potrebbero in futuro supportare reti quantistiche sicure in ambienti reali.
“Questo risultato sottolinea la fattibilità dell’integrazione di sorgenti di singoli fotoni a punti quantici in sistemi QKD a intervalli temporali stabili e utilizzabili sul campo, segnando un passo importante verso reti di comunicazione scalabili e sicure dal punto di vista quantistico basate su emettitori di singoli fotoni a stato solido.”
La distribuzione di chiavi quantistiche (QKD) con sorgenti deterministiche di singoli fotoni è stata dimostrata su reti in fibra interurbane e canali in spazio libero. Le implementazioni precedenti si basavano principalmente su schemi di codifica di polarizzazione, che sono suscettibili a birifrangenza, dispersione del modo di polarizzazione e perdite dipendenti dalla polarizzazione nelle reti in fibra reali. Al contrario, la codifica a intervalli temporali offre una robustezza intrinseca ed è stata ampiamente adottata nei sistemi QKD maturi che utilizzano impulsi laser coerenti deboli. Tuttavia, la sua fattibilità in combinazione con una sorgente deterministica di singoli fotoni non è stata ancora dimostrata sperimentalmente. In questo lavoro, realizziamo un sistema QKD con codifica a intervalli temporali che impiega una sorgente di singoli fotoni a punti quantici (QD) ad alta luminosità operante alla lunghezza d’onda delle telecomunicazioni. Il nostro esperimento di prova di concetto dimostra con successo la possibilità di una distribuzione sicura delle chiavi su un collegamento in fibra di 120 km, mantenendo al contempo una straordinaria stabilità a lungo termine per oltre 6 ore di funzionamento continuo, ovvero il più alto tasso di chiavi sicure tra i sistemi QKD a intervalli temporali basati su sorgenti di singoli fotoni. Questo lavoro fornisce la prima validazione sperimentale dell’integrazione di una sorgente di singoli fotoni a punti quantici con codifica a intervalli temporali in un sistema QKD in banda di telecomunicazione. Questo sviluppo rappresenta un progresso sostanziale nella creazione di una rete QKD robusta e scalabile basata sulla tecnologia a singolo fotone a stato solido.
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