Proof-of-principle long-distance Sagnac twin-field quantum key distribution network

Immaginate un mondo in cui due persone possono condividere un codice segreto che è fisicamente impossibile da rubare. Questa è la promessa della distribuzione quantistica delle chiavi (Quantum Key Distribution), un metodo di comunicazione che utilizza singole particelle di luce per creare un collegamento sicuro. Se un ladro tenta di sbirciare il messaggio mentre viaggia, le leggi della fisica assicurano che il messaggio cambi, avvisando il mittente e il destinatario che la linea è compromessa. Per decenni, gli scienziati hanno costruito con successo queste linee sicure tra due punti distanti. Tuttavia, il mondo reale non è fatto di semplici connessioni punto-punto; è una complessa rete di città e paesi che devono comunicare tra loro. Per rendere questa tecnologia utile per tutti, dobbiamo passare dal connettere due amici al costruire una rete che possa connetterne molti, il tutto mantenendo il segnale forte su centinaia di chilometri di cavo in fibra ottica.

La sfida nel costruire una tale rete è che i segnali luminosi sbiadiscono mentre viaggiano attraverso le fibre di vetro. In passato, estendere queste connessioni sicure richiedeva apparecchiature costose e delicate per correggere costantemente il segnale, oppure era limitato a distanze molto brevi. Un approccio più recente, noto come distribuzione quantistica delle chiavi a campo gemello (twin-field quantum key distribution), offre un modo per inviare segnali molto più lontano, facendo sì che due utenti inviino la loro luce a una stazione centrale per incontrarsi a metà strada. Sebbene questo metodo abbia mostrato grande potenziale in laboratorio, la maggior parte delle dimostrazioni è stata limitata a soli due utenti o ha richiesto sistemi attivi complessi per stabilizzare il segle. La domanda rimaneva: potrebbe funzionare in una vera rete multi-utente che si estende su lunghe distanze senza richiedere un costante intervento ad alta tecnologia?

Un team di ricercatori ha ora risposto a questa domanda costruendo un prototipo funzionante di una rete quantistica a tre utenti che si estende per 127 chilometri. Il loro esperimento, descritto in uno studio recente, dimostra che è possibile generare chiavi sicure tra qualsiasi coppia di utenti in una rete a forma di anello utilizzando apparecchiature relativamente semplici ed economiche. Invece di fare affidamento su sistemi attivi complessi per regolare costantemente la fase della luce, il team ha utilizzato una disposizione ingegnosa chiamata interferometro di Sagnac. Questa configurazione permette alla luce di viaggiare in due direzioni attorno a un anello, incontrandosi nuovamente al centro. Poiché la luce viaggia in entrambe le direzioni attraverso le stesse fibre, il sistema annulla naturalmente molti dei disturbi che di solito rovinano il segnale, come i cambiamenti di temperatura o le vibrazioni. Questa natura "plug-and-play" significa che la rete può rimanere stabile senza la necessità di stabilizzazione di fase attiva o post-compensazione, che sono tipicamente richieste negli esperimenti a lunga distanza.

I ricercatori hanno allestito la loro rete con tre utenti, chiamati Alice, Bob e Danny, collegati in un anello. La lunghezza totale del cavo in fibra ottica utilizzata era di 127 chilometri, composta da quattro grandi bobine di fibra a bassissima perdita. Tra gli utenti e una stazione centrale, le distanze variavano, creando una rete asimmetrica dove alcuni percorsi erano più lunghi di altri, proprio come una griglia cittadina del mondo reale. Per gestire il rumore che si verifica naturalmente quando la luce rimbalza all'interno della fibra, il team ha utilizzato una tecnica chiamata "burst patterning" (modellazione a impulsi). Questo consiste nell'inviare la luce in brevi impulsi temporizzati invece di un flusso continuo, il che aiuta a separare il segnale utile dal rumore di fondo. Hanno inoltre implementato un sistema per mantenere allineata la polarizzazione della luce. Poiché l'orientamento delle onde luminose può derivare mentre viaggiano attraverso la fibra, il team ha utilizzato controller elettronici per monitorare e regolare costantemente la luce, assicurando che rimanesse nello stato corretto per interferire correttamente quando i due percorsi si incontrano.

Nel corso di un'ora, il sistema ha dimostrato una stabilità straordinaria. I ricercatori hanno misurato quanto bene le onde luminose interferissero tra loro, un valore noto come visibilità, e hanno scoperto che rimaneva stabile al 93 percento. Questo alto livello di stabilità è cruciale perché assicura che la chiave segreta possa essere generata senza troppi errori. Il team ha generato con successo chiavi sicure per due diversi gruppi di utenti. Nel primo scenario, Alice e Bob comunicavano attraverso un canale di 102 chilometri con una perdita totale del segnale di 45 decibel. Nonostante questa perdita significativa, hanno ottenuto un tasso di chiave sicura di 1,398 x 10^-5 bit per impulso. Nel secondo scenario, Alice e Danny comunicavano attraverso un canale di 77 chilometri con 34 decibel di perdita, ottenendo un tasso di chiave ancora più elevato. L'esperimento ha anche tenuto conto della quantità finita di dati raccolti, mostrando che le chiavi sicure potevano essere generate anche con dati limitati, un requisito critico per l'implementazione nel mondo reale.

Ciò che rende questo traguardo particolarmente significativo è l'attrezzatura utilizzata. L'intera rete è stata operata utilizzando rilevatori a valanga a singolo fotone, che sono componenti standard e disponibili commercialmente, piuttosto che i costosi e complessi rilevatori superconduttori spesso richiesti per gli esperimenti quantistici a lunga distanza. Inoltre, il sistema ha utilizzato un singolo laser commerciale e non ha richiesto agli utenti di bloccare i propri laser a una frequenza specifica, un processo che di solito richiede hardware complessi. Dimostrando che una rete multi-utente può funzionare su lunghe fibre senza stabilizzazione di fase attiva, i ricercatori hanno tracciato la strada verso un futuro più pratico ed economico per la comunicazione quantistica. Questo lavoro suggerisce che il sogno di una internet quantistica diffusa e sicura non è solo una possibilità teorica, ma una realtà ingegneristica che può essere costruita con la tecnologia esistente. I risultati indicano che le barriere alla scalabilità delle reti quantistiche si stanno abbassando, avvicinando la tecnologia al giorno in cui la comunicazione sicura sarà una caratteristica standard della nostra infrastruttura globale.