I ricercatori hanno sviluppato un dispositivo semplice e stabile per generare gli stati quantistici necessari per la distribuzione delle chiavi quantistiche. Il dispositivo potrebbe rendere più pratico lo sviluppo di una rete dati globale che utilizzi questo metodo di crittografia molto sicuro per proteggere tutto, dalle transazioni con carta di credito ai messaggi.

Sono necessarie nuove tecniche di crittografia perché i computer abbastanza potenti da decifrare i codici di crittografia basati su algoritmi odierni saranno probabilmente disponibili nel prossimo decennio o due. Piuttosto che affidarsi alla matematica, la distribuzione delle chiavi quantistiche utilizza proprietà quantistiche della luce come la polarizzazione per codificare e inviare una chiave casuale necessaria per decifrare i dati codificati. Il metodo è eccezionalmente sicuro perché è rilevabile qualsiasi intrusione di terze parti.

Nella rivista della Optical Society (OSA) Lettere di ottica , ricercatori dell'Università di Padova in Italia riferiscono che il loro dispositivo interamente in fibra può cambiare la polarizzazione della luce più di 1 miliardo di volte al secondo. Il dispositivo è anche autocompensante, rendendolo insensibile alla temperatura e ad altri cambiamenti ambientali.

"Si prevede che la distribuzione delle chiavi quantistiche avrà un profondo impatto sulla privacy e sulla sicurezza dei cittadini, " disse Giuseppe Vallone, che ha guidato questa ricerca all'interno del gruppo di ricerca QuantumFuture coordinato dal co-autore Paolo Villoresi. "Il nostro schema semplifica la distribuzione delle chiavi quantistiche per la comunicazione nello spazio libero, ad esempio dai satelliti alla Terra o tra terminali mobili, necessaria per realizzare una rete quantistica globale".

Sviluppare una rete globale

Poiché la crittografia quantistica non funziona bene sulle reti in fibra a lunga distanza, ora c'è una spinta per sviluppare una rete di comunicazione quantistica satellitare per collegare varie reti di crittografia quantistica a terra in tutto il mondo.

Sebbene varie proprietà della luce possano essere utilizzate per creare stati quantistici per la crittografia quantistica, la polarizzazione è particolarmente adatta per i collegamenti in spazio libero perché non è perturbata dall'atmosfera e la decodifica al ricevitore può essere eseguita senza l'impegnativo compito di incanalare i dati nella fibra monomodale.

"Il nostro obiettivo è sviluppare uno schema di crittografia quantistica da utilizzare tra un satellite e la terra, dove vengono generate le chiavi in ​​orbita, " disse Vallone. "Tuttavia, i codificatori di polarizzazione odierni non sono ideali per l'uso nello spazio perché sono instabili, costoso e complesso. Possono persino mostrare canali secondari che minano la sicurezza del protocollo".

Codifica di polarizzazione veloce e stabile

Il nuovo codificatore di polarizzazione, che i ricercatori chiamano POGNAC per POlarization SaGNAC, può ruotare rapidamente la polarizzazione della luce laser in entrata grazie a un interferometro Sagnac ad anello in fibra. Questa configurazione divide la luce in due raggi le cui polarizzazioni sono ad angolo retto l'una rispetto all'altra. I raggi quindi viaggiano attraverso l'anello di fibra in senso orario e antiorario. Gli attuali componenti potrebbero inserirsi in un pacchetto di 15 X 5 x 5 centimetri, con un'ulteriore miniaturizzazione possibile se fossero incorporati componenti più piccoli.

All'interno del circuito in fibra, i ricercatori hanno utilizzato un modulatore elettro-ottico disponibile in commercio per modificare la polarizzazione e creare gli stati quantistici necessari per la distribuzione delle chiavi quantistiche. Poiché le componenti oraria e antioraria arrivano al modulatore in tempi diversi, ciascuno di essi può essere modulato indipendentemente.

I modulatori utilizzano una tensione applicata per modificare la fase ottica. Però, il valore assoluto dello sfasamento dipende da molti parametri che cambiano nel tempo. "Nel POGNAC, solo lo spostamento relativo tra le due componenti di polarizzazione è rilevante - questo sfasamento relativo corrisponde a un cambiamento nella polarizzazione dell'uscita - mentre gli spostamenti che derivano da variazioni di temperatura e altri fattori sono autocorretti, " ha detto Vallone. "Questo rende il POGNAC molto stabile ed elimina le derive di polarizzazione che hanno interessato altri dispositivi".

I ricercatori hanno testato il loro nuovo dispositivo misurando la polarizzazione degli stati quantistici generati dal POGNAC e confrontandoli con i valori previsti. Hanno misurato un tasso di errore di bit quantistico intrinseco (QBER) fino allo 0,2%, ben al di sotto dell'1-2% QBER dei tipici sistemi di distribuzione di chiavi quantistiche.

"I nostri risultati mostrano che i dati possono essere codificati utilizzando la polarizzazione della luce in modo semplice ed efficiente, " ha detto Vallone. "Siamo stati in grado di realizzare questo utilizzando solo componenti disponibili in commercio."

I ricercatori stanno continuando a migliorare il loro approccio e pianificano di eseguire ulteriori test per vedere come si comporta il POGNAC durante la codifica delle chiavi quantistiche per la crittografia.