Deployed entanglement-based BBM92 quantum key distribution using frequency-converted photons emitted by a quantum dot
Questo articolo dimostra un sistema di distribuzione di chiavi quantistiche BBM92 basato sull'entanglement, distribuito sul campo su un collegamento in fibra di 1,59 km, utilizzando una sorgente a punti quantici ad alta velocità combinata con la conversione di frequenza a lunghezze d'onda telecom per generare una chiave sicura di 14,2 Mbit capace di criptare un'immagine a colori.
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Nel mondo della comunicazione sicura, l'obiettivo è inviare un messaggio che nessun altro possa leggere, anche se possiede i computer più potenti immaginabili. Per decenni, ciò si è basato su complessi enigmi matematici difficili da risolvere ma teoricamente decifrabili. La fisica quantistica offre una strada diversa, basata sulle leggi fondamentali della natura piuttosto che sulla matematica. Utilizza il comportamento strano delle particelle di luce, chiamate fotoni, per creare un codice segreto. Se una spia tenta di ascoltare, l'atto stesso di osservare la luce la modifica, avvertendo gli utenti che la linea è compromessa. Questo metodo, noto come distribuzione quantistica della chiave, promette un livello di sicurezza garantito dall'universo stesso. Tuttavia, trasformare questa teoria in uno strumento pratico per il mondo reale è stato difficile. Le sorgenti luminose necessarie sono spesso deboli e i segnali degradano rapidamente quando vengono inviati attraverso le fibre di vetro che trasportano il nostro traffico internet.
Un team di ricercatori in Germania ha compiuto un passo significativo verso il rendere operativa questa tecnologia al di fuori del laboratorio. Hanno costruito con successo un sistema in grado di generare una chiave segreta sicura utilizzando un minuscolo atomo artificiale noto come punto quantico. Questa sorgente è speciale perché è incredibilmente luminosa e affidabile, capace di emettere coppie di fotoni entangled — particelle che rimangono misteriosamente collegate indipendentemente dalla distanza — a un ritmo di un miliardo di volte al secondo. Per far sì che queste particelle viaggiassero abbastanza lontano da essere utili, il team ha dovuto risolvere un problema di lunghezza d'onda. Il punto quantico emette naturalmente luce di un colore che viene assorbito rapidamente dai comuni cavi a fibra ottica. I ricercatori hanno utilizzato un astuto trucco chiamato conversione di frequenza per cambiare il colore di uno dei fotoni di ogni coppia in una tonalità che viaggi facilmente attraverso i cavi a lunga distanza, mantenendo intatto il legame speciale tra le due particelle.
L'esperimento si è svolto nel campus dell'Università di Stoccarda, collegando due edifici distanti circa 700 metri in linea d'aria. Il team ha posato 1,59 chilometri di fibra ottica tra le due località, creando un banco di prova del mondo reale che imita l'infrastruttura di una rete cittadina. Un edificio, agendo come mittente, ospitava la sorgente a punto quantico e l'attrezzatura per preparare la luce. L'altro edificio, agendo come ricevitore, conteneva i rilevatori e l'elettronica necessari per misurare i fotoni in arrivo. Poiché i cavi in fibra erano esposti all'ambiente, i cambiamenti di temperatura durante il giorno causavano la deriva della polarizzazione della luce, ovvero il suo orientamento. Per contrastare questo fenomeno, il team ha installato un sistema automatizzato che monitorava e regolava costantemente il percorso della luce, garantendo che il segnale rimanesse stabile nonostante le condizioni variabili.
In un periodo di 19 ore, il sistema è stato operativo ininterrottamente, generando un flusso costante di dati sicuri. I ricercatori hanno misurato quanti bit segreti potevano creare al secondo, tenendo conto degli inevitabili errori che si verificano inviando luce su lunghe distanze. Hanno scoperto che il sistema produceva una chiave sicura a un ritmo di 206 bit al secondo. Sebbene questo numero possa sembrare piccolo rispetto alla velocità dell'internet moderno, rappresenta una quantità enorme di dati nel tempo; in meno di un giorno, il sistema ha generato un totale di 14,2 milioni di bit di chiave sicura. Ciò è stato sufficiente per criptare e decriptare un'immagine a colori del campus, dimostrando che la chiave era abbastanza lunga e forte da proteggere dati reali. L'immagine, quando decriptata con la chiave grezza e non corretta, appariva confusa con errori, ma quando decriptata con la chiave sicura finale e purificata, la foto era perfettamente nitida, dimostrando che il sistema aveva filtrato con successo rumore ed errori.
Il successo di questo esperimento si basa sulle proprietà uniche del punto quantico, che agisce come una fabbrica altamente efficiente di luce entangled. A differenza delle vecchie sorgenti luminose che a volte inviano troppi fotoni contemporaneamente o non producono particelle in modo affidabile, questa sorgente è luminosa e precisa. Combinando questa sorgente con un dispositivo che cambia il colore della luce per adattarla allo standard delle telecomunicazioni, il team ha colmato il divario tra la fisica quantistica ad alte prestazioni e le reti in fibra esistenti. Sono inoltre riusciti a mantenere i due luoghi distanti perfettamente sincronizzati nel tempo, utilizzando un segnale di clock condiviso inviato attraverso la stessa fibra, il che è essenziale per far corrispondere le coppie di fotoni. Questo lavoro dimostra che è possibile gestire una complessa rete quantistica in un ambiente reale, utilizzando cavi standard e affrontando i cambiamenti ambientali, senza la necessità di un ambiente di laboratorio controllato. Suggerisce che i mattoni per una futura internet quantistica globale, dove la comunicazione sicura sia la norma piuttosto che l'eccezione, sono già a portata di mano.
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