Discrete value QKD based on a three MUBs efficient KXB10 protocol using spatial light modes

Immaginate un mondo in cui i segreti che inviate sono protetti non da complessi enigmi matematici che potrebbero un giorno essere risolti, ma dalle leggi fondamentali della natura stessa. Questa è la promessa della crittografia quantistica, un campo che utilizza il comportamento strano di minuscole particelle di luce, chiamate fotoni, per creare codici inviolabili. Nella versione più semplice di questa tecnologia, due persone, tradizionalmente chiamate Alice e Bob, scambiano una chiave segreta inviandosi questi fotoni avanti e indietro. Se una terza parte, un intercettatore, cerca di ascoltare, l'atto stesso di osservare i fotoni li modifica, lasciando una traccia rivelatrice di errori che avverte Alice e Bob della violazione. Tuttavia, man mano che il nostro bisogno di comunicazioni più veloci e sicure cresce, gli scienziati stanno guardando oltre questi metodi basilari. Stanno esplorando modi per inviare più informazioni con ogni particella e per rendere il sistema più robusto contro l'aria rumorosa e turbolenta che esiste tra due punti sulla Terra.

In uno studio recente, i ricercatori Muhammad Kamran, Tahir Malik e Muhammad Mubashir Khan della NED University of Engineering and Technology in Pakistan hanno investigato un metodo più avanzato chiamato protocollo KXB10. Invece di usare solo due impostazioni per le loro particelle di luce, come fanno i sistemi più vecchi, questo nuovo approccio utilizza tre distinti set di impostazioni, noti come basi, per codificare le informazioni. Per far sì che ciò funzioni nel mondo reale, dove le correnti d'aria possono distorcere la luce, il team ha utilizzato un tipo speciale di luce chiamato modi di luce spaziale. Potete pensare a questi modi come alla modellazione della luce in schemi specifici e intricati, proprio come attorcigliare un nastro in una spirale, piuttosto che limitarsi ad accendere o spegnere una torcia. Questi schemi portano una proprietà chiamata momento angolare orbitale, che permette alla luce di contenere più informazioni e di essere distinta anche quando l'aria è agitata. I ricercatori hanno simulato un collegamento di comunicazione completo tra due punti, inclusi gli effetti caotici dell'atmosfera, per vedere quanto performasse questo sistema ad alta dimensionalità.

Il team ha costruito una dettagliata simulazione al computer di questo sistema, utilizzando strumenti virtuali per generare e rilevare questi complessi schemi di luce. Hanno modellato il viaggio della luce attraverso l'aria, introducendo il tipo di turbolenza che avviene nell'atmosfera reale, la quale causa lo scintillio e la dispersione della luce. Hanno anche simulato un intercettatore che tenta di intercettare il messaggio. Nella loro configurazione virtuale, la luce viaggiava attraverso un canale dove i ricercatori potevano regolare la forza della turbolenza e la presenza dell'intruso. L'obiettivo era misurare due cose specifiche: quanto spesso il sistema commette errori nella lettura del messaggio e quanto efficacemente può generare una chiave segreta. Hanno scoperto che, quando nessuno stava ascoltando, il sistema operava con un certo livello di efficienza. Tuttavia, nel momento in cui un intercettatore appariva, il comportamento del sistema cambiava in un modo molto specifico.

I risultati della simulazione hanno rivelato un cambiamento significativo nel modo in cui il sistema si comporta sotto attacco. Quando l'intercettatore era presente, l'efficienza del sistema, che misura quanta parte delle informazioni trasmesse viene recuperata con successo, è balzata da circa il 25 percento a circa il 45 percento. Mentre gli autori notano nel loro abstract che il protocollo KXB10 ad alta dimensionalità offre significativi miglioramenti di efficienza, i risultati della simulazione evidenziano specificamente questo cambiamento nei livelli di efficienza tra lo stato sicuro e quello compromesso. I ricercatori hanno anche monitorato il tasso di errore, ovvero la frequenza con cui il messaggio ricevuto differisce da quello inviato. In presenza dell'intercettatore, questo tasso di errore è salito al 60 percento. Forse la cosa più importante è che il team ha introato e testato un nuovo modo per misurare la sicurezza chiamato tasso di errore di trasmissione dell'indice. Questa metrica osserva quanto spesso lo schema o "indice" specifico della luce viene identificato erroneamente. Nella loro simulazione, questo valore è salito a circa il 47 percento quando l'intercettatore era attivo.

Lo studio conclude che le prestazioni del sistema sono state analizzate sotto la turbolenza atmosferica, e la presenza di un intercettatore lascia un'impronta digitale distinta che è difficile da ignorare. L'aumento del tasso di errore di trasmissione dell'indice agisce come un potente rinforzo al tasso di errore standard, rendendo molto più difficile per un intruso nascondere la propria presenza. I ricercatori hanno scoperto che, utilizzando questi tre diversi set di schemi di luce, il sistema dimostra un significativo miglioramento dell'efficienza del sistema utilizzando il protocollo KXB10 ad alta dimensionalità. Il lavoro dimostra che questo approccio ad alta dimensionalità, che si basa sulle forme complesse della luce piuttosto che su semplici segnali on-off, offre una strada promettente per la comunicazione sicura su lunghe distanze attraverso l'aria aperta. Le scoperte suggeriscono che, monitorando attentamente questi specifici schemi di errore, Alice e Bob possono essere certi che la loro chiave segreta rimanga al sicuro, o che possano interrompere immediatamente la trasmissione se l'aria non è limpida come dovrebbe essere.