Per la prima volta, i ricercatori hanno inviato un messaggio di sicurezza quantistica contenente più di un bit di informazioni per fotone attraverso l'aria sopra una città. La dimostrazione ha mostrato che un giorno potrebbe essere pratico utilizzare l'alta capacità, comunicazione quantistica nello spazio libero per creare un collegamento altamente sicuro tra reti terrestri e satelliti, un requisito per la creazione di una rete di crittografia quantistica globale.

La crittografia quantistica utilizza i fotoni per codificare le informazioni sotto forma di bit quantistici. Nella sua forma più semplice, nota come crittografia 2D, ogni fotone codifica un bit:uno o uno zero. Gli scienziati hanno dimostrato che un singolo fotone può codificare ancora più informazioni, un concetto noto come crittografia quantistica ad alta dimensione, ma fino ad ora questo non è mai stato dimostrato con la comunicazione ottica nello spazio libero in condizioni del mondo reale. Con otto bit necessari per codificare una sola lettera, Per esempio, impacchettare più informazioni in ogni fotone accelererebbe notevolmente la trasmissione dei dati.

"Il nostro lavoro è il primo a inviare messaggi in modo sicuro utilizzando la crittografia quantistica ad alta dimensione in condizioni di città realistiche, compresa la turbolenza, " ha detto il capo del gruppo di ricerca, Ebrahim Karimi, Università di Ottawa, Canada. "Il sicuro, schema di comunicazione nello spazio libero che abbiamo dimostrato potrebbe potenzialmente collegare la Terra con i satelliti, collegare in modo sicuro luoghi in cui è troppo costoso installare la fibra, o essere utilizzato per la comunicazione crittografata con un oggetto in movimento, come un aeroplano".

Come dettagliato in ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto, i ricercatori hanno dimostrato la crittografia quantistica 4D su una rete ottica nello spazio libero che copre due edifici a 0,3 chilometri di distanza l'uno dall'altro presso l'Università di Ottawa. Questo schema di crittografia ad alta dimensione è indicato come 4D perché ogni fotone codifica due bit di informazioni, che fornisce le quattro possibilità di 01, 10, 00 o 11.

Oltre a inviare più informazioni per fotone, la crittografia quantistica ad alta dimensione può anche tollerare più rumore che oscura il segnale prima che la trasmissione diventi non sicura. Il rumore può derivare da aria turbolenta, elettronica guasta, rilevatori che non funzionano correttamente e da tentativi di intercettazione dei dati. "Questa soglia di rumore più elevata significa che quando la crittografia quantistica 2D fallisce, puoi provare a implementare il 4D perché, in linea di principio, è più sicuro e più resistente al rumore, " disse Karim.

Utilizzo della luce per la crittografia

Oggi, vengono utilizzati algoritmi matematici per crittografare i messaggi di testo, operazioni bancarie e informazioni sanitarie. L'intercettazione di questi messaggi crittografati richiede di capire l'esatto algoritmo utilizzato per crittografare un dato pezzo di dati, un'impresa che è difficile ora ma che dovrebbe diventare più facile nel prossimo decennio o giù di lì man mano che i computer diventeranno più potenti.

Data l'aspettativa che gli algoritmi attuali potrebbero non funzionare altrettanto bene in futuro, viene prestata maggiore attenzione a tecniche di crittografia più potenti come la distribuzione delle chiavi quantistiche, che utilizza le proprietà delle particelle luminose note come stati quantistici per codificare e inviare la chiave necessaria per decifrare i dati codificati.

Sebbene la crittografia quantistica cablata e nello spazio libero sia stata implementata su alcuni piccoli, reti locali, implementarlo a livello globale richiederà l'invio di messaggi crittografati tra le stazioni terrestri e le reti di comunicazione quantistica satellitari che collegherebbero città e paesi. I test orizzontali nell'aria possono essere utilizzati per simulare l'invio di segnali ai satelliti, con circa tre chilometri orizzontali che equivalgono all'incirca all'invio del segnale attraverso l'atmosfera terrestre a un satellite.

Prima di provare un test di tre chilometri, i ricercatori volevano vedere se fosse anche possibile eseguire la crittografia quantistica 4D all'esterno. Questo è stato pensato per essere così impegnativo che alcuni altri scienziati nel campo hanno affermato che l'esperimento non avrebbe funzionato. Uno dei problemi principali affrontati durante qualsiasi esperimento nello spazio libero riguarda la turbolenza dell'aria, che distorce il segnale ottico.

Test nel mondo reale

Per le prove, i ricercatori hanno portato le loro configurazioni ottiche di laboratorio su due diversi tetti e le hanno coperte con scatole di legno per fornire una certa protezione dagli elementi. Dopo molti tentativi ed errori, hanno inviato con successo messaggi protetti con crittografia quantistica 4D sul loro collegamento intracity. I messaggi hanno mostrato un tasso di errore dell'11%, al di sotto della soglia del 19% necessaria per mantenere una connessione sicura. Hanno anche confrontato la crittografia 4D con 2D, trovando che, dopo la correzione degli errori, potrebbero trasmettere 1,6 volte più informazioni per fotone con la crittografia quantistica 4D, anche con turbolenza.

"Dopo aver portato attrezzature che normalmente verrebbero utilizzate in un ambiente pulito, ambiente di laboratorio isolato su un tetto esposto agli elementi e privo di isolamento dalle vibrazioni, è stato molto gratificante vedere risultati che mostravano che potevamo trasmettere dati sicuri, " disse Alicia Sit, uno studente universitario nel laboratorio di Karimi.

Come passo successivo, i ricercatori stanno pianificando di implementare il loro schema in una rete che include tre collegamenti distanti circa 5,6 chilometri e che utilizza una tecnologia nota come ottica adattiva per compensare la turbolenza. Infine, vogliono collegare questa rete a quella che esiste ora in città. "Il nostro obiettivo a lungo termine è implementare una rete di comunicazione quantistica con più collegamenti ma utilizzando più di quattro dimensioni mentre si cerca di aggirare la turbolenza, " disse Siedi.