An asymmetric atom-photon architecture for device-independent quantum key distribution over 25 km

Nella ricerca di una comunicazione inattaccabile, gli scienziati hanno a lungo cercato un modo per condividere codici segreti che rimangano sicuri anche se le macchine utilizzate per crearli sono imperfette o non affidabili. Questo obiettivo si basa su un fenomeno chiamato entanglement quantistico, in cui due particelle diventano così profondamente legate che la misurazione di una rivela istantaneamente lo stato dell'altra, indipendentemente dalla distanza che le separa. Le prime versioni di questa tecnologia richiedevano che entrambe le parti possedessero computer quantistici complessi e delicati per verificare la connessione, mentre un approccio più recente mira a semplificare l'allestimento. Inviando una singola particella di luce da un atomo stazionario a un ricevitore distante, i ricercatori possono testare la sicurezza del collegamento senza dover fidarsi dell'apparecchiatura all'estremità ricevente. Questo metodo, noto come distribuzione quantistica di chiavi device-independent, promette di proteggere i dati contro qualsiasi computer futuro, ma è stato incredibilmente difficile da realizzare su distanze del mondo reale perché il fragile legame tra l'atomo e la luce viene facilmente interrotto dall'ambiente.

Un team di fisici in Germania ha ora dimostrato con successo questo avanzato protocollo di sicurezza su una distanza di venticinque chilometri di fibra ottica standard. Il loro esperimento collega un singolo ione di calcio intrappolato, che funge da memoria stabile, con una stazione remota che misura un fotone che viaggia attraverso il cavo. La sfida era mantenere intatto il link quantistico mentre il fotone viaggiava attraverso le fibre oscure e tortuose di una rete cittadina, dove i cambiamenti di temperatura e le vibrazioni possono sconvolgere le informazioni. Per risolvere il problema, i ricercatori hanno costruito un sistema che converte due volte il colore del fotone: prima spostandolo verso una lunghezza d'onda che viaggi efficientemente attraverso la fibra, e poi riportandolo al suo colore originale per la rilevazione. Fondamentalmente, hanno aggiunto un sistema di stabilizzazione attiva che monitora e corregge costantemente l'orientamento della polarizzazione della luce, assicurando che la delicata relazione quantistica sopravviva al viaggio.

Il risultato è un link funzionante che dimostra il potenziale per connessioni sicure senza la necessità di ispezionare il funzionamento interno del rilevatore remoto. Il team ha misurato un valore statistico specifico che indica quanto fortemente le due particelle siano entangled, trovando un risultato che supera la soglia richiesta per generare una chiave segreta sotto il modello specifico utilizzato. Questo valore, che si attestava a 2,75 con un piccolo margine di errore, è significativamente superiore al minimo di 2,362 necessario per suggerire una frazione di chiave segreta asintotica positiva nel loro modello. Dalla raccolta di dati durante una campagna di due settimane, i ricercatori hanno calcolato una stima conservativa di sessantanove bit di informazione segreta da circa diecimila eventi riusciti. Sebbene questo numero sia piccolo rispetto a ciò che è possibile in un laboratorio perfetto, e sebbene lo stesso dataset sia stato utilizzato sia per l'ottimizzazione che per la valutazione (il che significa che non viene fatta una rivendicazione definitiva di sicurezza device-independent), rappresenta una prova di concetto critica del fatto che un tale sistema può funzionare al di fuori del laboratorio.

L'architettura utilizzata in questo esperimento è distinta perché è asimmetrica, il che significa che le due estremità del link non sono identiche. Un lato ospita il complesso trappola ionica, mentre l'altro è una stazione molto più semplice che deve solo rilevare il fotone in arrivo. Questo design è particolarmente importante per il futuro delle reti quantistiche, poiché consente alle stazioni remote di essere posizionate ovunque in una griglia cittadina senza la necessità di possedere la propria hardware costosa per la memoria quantistica. I ricercatori hanno anche dimostrato che il loro sistema è compatibile con l'infrastruttura di telecomunicazioni esistente, utilizzando cavi in fibra e apparecchiature standard che possono essere integrate nelle attuali reti. Avendo mantenuto con successo il link quantistico su questa distanza, il team ha stabilito una via percorribile verso la costruzione di una rete sicura su scala cittadina, dove i dati sensibili possono essere protetti dalle leggi fondamentali della fisica piuttosto che dalla complessità dell'hardware.

L'esperimento si è basato su una temporizzazione precisa e un filtraggio accurato per garantire che il segnale non andasse perso nel rumore dell'ambiente. Il fotone, una volta riconvertito nel suo colore originale, passa attraverso un filtro stretto che blocca la luce parassita prima di raggiungere i rilevatori. L'intero processo è stato innescato da un segnale elettronico inviato dalla stazione remota alla trappola ionica, confermando che un fotone era arrivato prima che l'atomo venisse misurato. Questo approccio "heralded" assicura che i ricercatori contino solo i momenti in cui la connessione è stata stabilita con successo, filtrando i molti tentativi falliti a causa della perdita di fotoni o dell'interferenza di fondo. Il team ha osservato che la correlazione quantistica tra lo ione e il fotone oscillava in un pattern prevedibile con il passare del tempo, un comportamento che corrispondeva alle aspettative teoriche e confermava che il sistema stava operando correttamente.

Guardando al futuro, i ricercatori suggeriscono che le attuali limitazioni, come il basso tasso di eventi riusciti, potrebbero essere migliorate con metodi di raccolta dei fotoni migliori e un'elaborazione più veloce. Notano che il tempo necessario affinché il segnale viaggi e affinché il sistema si resetti limita la velocità con cui la chiave può essere generata, ma queste sono sfide ingegneristiche che possono essere affrontate con la tecnologia futura. Il successo di questo test di venticinque chilometri dimostra che gli ostacoli fondamentali alla sicurezza a lunga distanza, device-independent, possono essere superati. Esso fornisce una base concreta per espandere queste reti per coprire interi centri metropolitani, portando la promessa di una comunicazione teoricamente inattaccabile più vicina alla realtà.