In un nuovo studio, i ricercatori dimostrano misurazioni a terra degli stati quantistici inviati da un laser a bordo di un satellite 38, 000 chilometri sopra la Terra. Questa è la prima volta che gli stati quantistici sono stati misurati così attentamente da così lontano.

"Siamo rimasti piuttosto sorpresi dal modo in cui gli stati quantistici sono sopravvissuti viaggiando attraverso la turbolenza atmosferica fino a una stazione di terra, ", ha affermato Christoph Marquardt del Max Planck Institute for the Science of Light, Germania. "Il documento dimostra che la tecnologia sui satelliti, già a prova di spazio contro severi test ambientali, può essere utilizzato per ottenere misurazioni quantistiche limitate, rendendo così possibile una rete di comunicazione quantistica satellitare. Questo riduce notevolmente i tempi di sviluppo, il che significa che potrebbe essere possibile avere un sistema del genere non appena tra cinque anni".

Una rete di crittografia quantistica basata su satellite fornirebbe un modo estremamente sicuro per crittografare i dati inviati su lunghe distanze. Lo sviluppo di un tale sistema in soli cinque anni è una linea temporale estremamente rapida poiché la maggior parte dei satelliti richiede circa 10 anni di sviluppo. Normalmente, ogni componente, dai computer alle viti, deve essere testato e approvato per funzionare nelle dure condizioni ambientali dello spazio e deve sopravvivere ai cambiamenti gravitazionali sperimentati durante il lancio.

Marquardt e i suoi colleghi della divisione di Gerd Leuchs presso il Max Planck Institute di Erlangen riportano la loro nuova ricerca in ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto.

Usare la luce per proteggere i dati

Oggi, messaggi di testo, le transazioni bancarie e le informazioni sanitarie sono tutte criptate con tecniche basate su algoritmi matematici. Questo approccio funziona perché è estremamente difficile capire l'esatto algoritmo utilizzato per crittografare un dato dato. Però, gli esperti ritengono che nei prossimi 10-20 anni saranno disponibili computer abbastanza potenti da decifrare questi codici di crittografia.

L'incombente minaccia alla sicurezza ha posto maggiore attenzione sull'implementazione di tecniche di crittografia più potenti come la distribuzione delle chiavi quantistiche. Piuttosto che affidarsi alla matematica, la distribuzione delle chiavi quantistiche utilizza le proprietà delle particelle luminose note come stati quantistici per codificare e inviare la chiave necessaria per decifrare i dati codificati. Se qualcuno cerca di misurare le particelle di luce per rubare la chiave, cambia il comportamento delle particelle in un modo che avverte le parti comunicanti designate che la chiave è stata compromessa e non deve essere utilizzata. Il fatto che questo sistema rilevi le intercettazioni significa che è garantita una comunicazione sicura.

Sebbene i metodi per la crittografia quantistica siano in sviluppo da più di un decennio, non funzionano su lunghe distanze perché le perdite residue di luce nelle fibre ottiche utilizzate per le reti di telecomunicazioni a terra degradano i segnali quantistici sensibili. Anche i segnali quantistici non possono essere rigenerati senza alterare le loro proprietà facendo causa agli amplificatori ottici come si fa per i dati ottici classici. Per questa ragione, c'è stata una recente spinta allo sviluppo di una rete di comunicazione quantistica basata su satellite per collegare reti di crittografia quantistica a terra situate in diverse aree metropolitane, paesi e continenti.

Sebbene le nuove scoperte abbiano mostrato che le reti satellitari di comunicazione quantistica non devono essere progettate da zero, Marquardt osserva che ci vorranno ancora dai 5 ai 10 anni per convertire i sistemi basati a terra alla crittografia quantistica per comunicare gli stati quantistici con i satelliti.

Misurazione degli stati quantistici

Per gli esperimenti, Il team di Marquardt ha lavorato a stretto contatto con la società di telecomunicazioni satellitari Tesat-Spacecom GmbH e l'amministrazione spaziale tedesca. L'amministrazione spaziale tedesca aveva precedentemente stipulato un contratto con Tesat-Spacecom per conto del Ministero tedesco dell'economia e dell'energia per sviluppare una tecnologia di comunicazione ottica per i satelliti. Questa tecnologia viene ora utilizzata commercialmente nello spazio dai terminali di comunicazione laser a bordo di Copernicus, il programma di osservazione della Terra dell'Unione europea, e da SpaceDataHighway, il sistema satellitare europeo di trasmissione dati.

Si è scoperto che questa tecnologia di comunicazione ottica satellitare funziona in modo molto simile al metodo di distribuzione della chiave quantistica sviluppato al Max Planck Institute. Così, i ricercatori hanno deciso di vedere se fosse possibile misurare gli stati quantistici codificati in un raggio laser inviato da uno dei satelliti già nello spazio. Nel 2015 e all'inizio del 2016, il team ha effettuato queste misurazioni da una stazione a terra presso l'Osservatorio del Teide a Tenerife, Spagna. Hanno creato stati quantistici in un intervallo in cui il satellite normalmente non funziona e sono stati in grado di effettuare misurazioni quantistiche limitate da terra.

"Dalle nostre misurazioni, potremmo dedurre che la luce che viaggia verso la Terra è molto adatta per essere utilizzata come una rete di distribuzione di chiavi quantistiche, " Marquardt ha detto. "Siamo rimasti sorpresi perché il sistema non è stato costruito per questo. Gli ingegneri hanno svolto un lavoro eccellente nell'ottimizzare l'intero sistema".

I ricercatori stanno ora lavorando con Tesat-Spacecom e altri nell'industria spaziale per progettare un sistema aggiornato basato sull'hardware già utilizzato nello spazio. Ciò richiederà l'aggiornamento del design della comunicazione laser, incorporando un generatore di numeri casuali basato su quantistica per creare le chiavi casuali e integrando la post-elaborazione delle chiavi.

"C'è un serio interesse da parte dell'industria spaziale e di altre organizzazioni per implementare i nostri risultati scientifici, " disse Marquardt. "Noi, come scienziati fondamentali, ora stanno lavorando con gli ingegneri per creare il sistema migliore e garantire che nessun dettaglio venga trascurato."