A distribuição quântica de chaves (QKD) é amplamente considerada a forma mais avançada de criptografia quântica, fornecendo um caminho para uma segurança quase inquebrável para futuras redes quânticas. Uma tecnologia promissora por trás desses sistemas de segurança envolve pontos quânticos semicondutores (SQDs), minúsculas fontes de luz em estado sólido capazes de gerar fótons únicos de alta qualidade para comunicações quânticas. Esses dispositivos podem ajudar a aumentar a taxa de geração segura de chaves, ao mesmo tempo que oferecem suporte a futuros repetidores quânticos necessários para redes quânticas de grande escala.
Outro desenvolvimento importante é a codificação time bin, uma técnica para armazenar informações no momento da chegada do fóton. Esta abordagem é particularmente atraente para comunicações quânticas de longa distância porque é naturalmente resistente a muitos dos distúrbios ambientais que podem perturbar as redes de fibra óptica.
Criptografia quântica estável de 120 km
Uma equipe internacional de pesquisadores de universidades na Alemanha e na China demonstrou agora o primeiro sistema bin QKD em tempo real impulsionado por um dispositivo semicondutor de pontos quânticos de telecomunicações sob demanda. Seus resultados aparecem como capa de revista em Luz: Ciência e Aplicações.
No experimento, os cientistas usaram um codificador de compartimento de tempo autoestabilizador para gerar deterministicamente e estocasticamente três estados qubit de compartimento de tempo independentes. O dispositivo converte fótons únicos polarizados gerados por pontos quânticos de banda C de telecomunicações em sinais quânticos codificados. Na extremidade receptora, os qubits fotônicos são decodificados por meio de um interferômetro ativamente estabilizado contendo deslocadores de fase, permitindo que o sistema opere por longos períodos de tempo sem a necessidade de ajustes manuais.
Os pesquisadores transmitiram com sucesso sinais quânticos através de um link de fibra óptica de mais de 120 quilômetros entre o codificador e o decodificador. O sistema também manteve uma estabilidade impressionante durante mais de seis horas de operação contínua.
Taxa de chave de alta segurança de pontos quânticos
O experimento de prova de conceito alcançou a maior taxa de chave segura relatada até o momento para um sistema QKD de intervalo de tempo baseado em um dispositivo de pontos quânticos de alto desempenho. Fontes de pontos quânticos produzem fótons únicos brilhantes e de alta pureza operando a aproximadamente 76 MHz.
O sistema manteve a taxa média de erro quântico abaixo de 11% mesmo depois de percorrer 120 quilômetros de fibra padrão. Sob condições realistas de chave limitada, essa configuração mantém uma taxa média de chave segura de aproximadamente 15 bits/segundo, um nível considerado apropriado para aplicativos de mensagens de texto criptografadas do mundo real.
Os pesquisadores destacaram a importância deste desenvolvimento:
“QDs de banda de telecomunicações com aprimoramentos Purcell podem fornecer fótons de alto brilho adequados para comunicações intermunicipais de fibra óptica, tornando-os candidatos promissores para integração em sistemas QKD práticos.”
A codificação do período de tempo melhora a estabilidade no mundo real
A equipe também destaca as vantagens da codificação time-bin em comparação com muitos sistemas QKD existentes baseados em pontos quânticos, que são altamente sensíveis a perturbações ambientais.
“A maioria dos sistemas QKD baseados em QD existentes são suscetíveis a mudanças no canal quântico real causadas por fatores ambientais, como turbulência, temperatura e vibração. Isso requer compensação ativa. Em contraste, a codificação time-bin (onde qubits são codificados na posição temporal de fótons únicos) fornece estabilidade intrínseca contra tais flutuações de canal, mesmo sem quaisquer protocolos de compensação complexos. “
Os cientistas disseram que o longo tempo de execução ininterrupto do sistema demonstrou a robustez do método.
“O sistema funcionou continuamente durante 6 horas, destacando a robustez inerente do esquema de período de tempo suportado pelo sistema, incluindo o Interferômetro Sagnac (SNI), controle de feedback ativo, etc.”
Os pesquisadores dizem que este trabalho marca um passo importante em direção a sistemas de comunicação quântica práticos e escaláveis que poderiam, em última análise, apoiar redes quânticas seguras em ambientes do mundo real.
“Este resultado destaca a viabilidade de integração de fontes QD de fóton único em sistemas QKD de compartimento de tempo estáveis e implantáveis em campo, marcando um passo importante em direção a redes de comunicação escaláveis e seguras quânticas, baseadas em emissores de fóton único de estado sólido.”
