Frequency subspace encoding for multiplexed quantum secret sharing

Nel campo della comunicazione sicura, gli scienziati si affidano da tempo alle strane regole della meccanica quantistica per proteggere le informazioni. Immaginate un sistema in cui l'atto stesso di cercare di leggere un messaggio lo modifica, avvertendo il mittente che qualcuno sta ascoltando. Questa è la base della distribuzione di chiavi quantistiche, un metodo già utilizzato per generare codici di crittografia inviolabili tra due persone. Tuttavia, una sfida più complessa sorge quando un segreto deve essere condiviso tra tre o più persone, dove nessuna singola persona possiede la risposta intera e il gruppo deve lavorare insieme per ricostruire la verità. Questo è noto come condivisione di segreti quantistici. Sebbene la teoria sia solida, costruire una rete in grado di gestire molti utenti simultaneamente è stato difficile. I metodi tradizionali richiedono spesso una sorgente luminosa dedicata e separata per ogni coppia di utenti, oppure applicano un singolo segnale di controllo che influenza l'intero fascio di luce contemporaneamente. Ciò rende impossibile inviare segreti diversi a gruppi differenti di persone sullo stesso cavo in fibra ottica nello stesso momento, un limite che ha tenuto le reti quantistiche su larga scala fuori portata.

Ricercatori dell'Università Friedrich Schiller di Jena e dell'Istituto Fraunhofer per l'Ottica Applicata e la Precisione hanno ora dimostrato un modo per superare questo collo di bottiglia. Hanno sviluppato un nuovo metodo che consente a una singola sorgente di particelle di luce intrecciate di servire più gruppi di utenti simultaneamente, ognuno dei quali riceve il proprio segreto indipendente. Il team ha ottenuto questo trattando la luce non come un singolo fascio uniforme, ma come una collezione di distinti canali di colore, molto simile a come un prisma scompone la luce bianca in un arcobaleno. Controllando attentamente la temporizzazione delle onde luminose all'interno di specifiche bande di colore, sono stati in grado di codificare segreti diversi in parti diverse dello stesso fascio senza che questi interferissero tra loro. Questo approccio trasforma efficacemente una singola sorgente quantistica in un'autostrada a più corsie per dati sicuri, dove ogni corsia trasporta un messaggio unico a una specifica coppia di destinatari.

L'esperimento si è basato su un dispositivo che genera coppie di fotoni, ovvero particelle di luce, che sono legate in modo tale che le loro proprietà siano perfettamente correlate. In questa configurazione, un fotone viene inviato a un controllore centrale, noto come il "dealer" (distributore), mentre l'altro viene inviato all'esterno nella rete. Il dealer applica quindi un tipo specifico di modulazione alla luce, alterando la fase, ovvero la temporizzazione dell'onda, per ogni canale di colore in modo indipendente. Questo processo è simile al sintonizzare una radio su stazioni diverse; proprio come una radio può captare una stazione senza sentire le altre, il sistema dei ricercatori può isolare e leggere il segreto codificato in un canale di colore ignorando il resto. Il team ha utilizzato una sorgente di luce a banda larga che copre un ampio intervallo di lunghezze d'onda, permettendo di suddividere lo spettro in molti separati contenitori di frequenza. Hanno selezionato coppie specifiche di questi canali per agire come linee di comunicazione indipendenti, garantendo che il segreto condiviso tra una coppia di utenti non trapelasse nel canale utilizzato da un'altra coppia.

Per dimostrare che questo metodo funzionasse, i ricercatori hanno testato il loro sistema utilizzando una griglia di canali standard per le telecomunicazioni. Sono riusciti a codificare e trasmettere segreti attraverso due canali specifici con una spaziatura di 200 gigahertz, uno standard utilizzato nelle moderne reti in fibra ottica. I risultati hanno mostrato che gli stati quantistici creati erano altamente accurati, corrispondendo agli stati teorici ideali con una fedeltà di almeno il 90 percento. Questo alto livello di accuratezza è cruciale perché significa che l'informazione è rimasta intatta e sicura nonostante la complessa manipolazione richiesta per separare i canali. Il team ha anche monitorato il sistema continuamente per garantire che le delicate connessioni quantistiche rimanessero stabili, utilizzando un ciclo di feedback che regolava l'attrezzatura in tempo reale per contrastare le vibrazioni ambientali e i cambiamenti di temperatura. Anche con questi necessari aggiustamenti, il sistema ha mantenuto un'alta qualità del segnale, dimostrando che il metodo è abbastanza robusto per un uso pratico.

Le implicazioni di questo lavoro si estendono oltre un singolo esperimento di successo. I ricercatori hanno dimostrato che la loro configurazione potrebbe teoricamente supportare più di 40 diversi canali di frequenza, il che consentirebbe una rete completamente connessa fino a nove utenti utilizzando apparecchiature standard. Questa scalabilità è un passo significativo in avanti, poiché elimina la necessità di molteplici e costose sorgenti luminose per creare una grande rete quantistica. Invece, una singola sorgente al centro della rete può distribuire segreti a qualsiasi numero di coppie di utenti, a condizione che la rete sia dotata dei filtri corretti per separare i colori. Il team ha osservato che, sebbene la loro dimostrazione attuale abbia utilizzato componenti che operano a velocità relativamente basse, la tecnologia sottostante è compatibile con dispositivi molto più veloci che potrebbero eventualmente gestire i dati a velocità paragonabili alle attuali velocità di internet.

Lo studio conferma che è possibile eseguire la condivisione di segreti quantistici in una rete a multiplexing di lunghezza d'onda, un traguardo che era precedentemente ritenuto limitato dall'incapacità di controllare i singoli canali in modo indipendente. Sfruttando le naturali correlazioni di frequenza della sorgente luminosa e applicando una precisa modulazione di fase spettrale, i ricercatori hanno aperto la strada verso una crittografia quantistica più efficiente e scalabile. Il lavoro non pretende di aver risolto ogni problema nel campo, ma fornisce un metodo concreto e a basso consumo di risorse per espandere le reti quantistiche. La capacità di eseguire molteplici sessioni indipendenti di condivisione di segreti su un singolo cavo in fibra ottica suggerisce che l'infrastruttura per una futura internet quantistica, capace di connettere molti utenti in modo sicuro, sta diventando sempre più fattibile. I risultati, ottenuti con componenti standard e griglie per telecomunicazioni, indicano che la transizione dagli esperimenti di laboratorio alle applicazioni nel mondo reale è entro portata.