Una figura concettuale dell'esperimento MDI-QKD in una città. I telescopi si trovano in grattacieli per la trasmissione di fotoni codificati. La turbolenza dell'atmosfera, che esiste ovunque nel canale di trasmissione, è la sfida principale per i fotoni per mantenere la modalità spaziale nel terminale di rilevamento. Credito:Yao Zheng/Micius Salon.
La distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) è una tecnica che consente comunicazioni sicure tra dispositivi utilizzando un protocollo crittografico in parte basato sulla meccanica quantistica. Questo metodo di comunicazione consente in definitiva a due parti di crittografare e decrittografare i messaggi che si scambiano utilizzando una chiave univoca sconosciuta alle altre parti.
La distribuzione della chiave quantistica indipendente dal dispositivo di misurazione (MDI-QKD) è un protocollo unico che facilita la creazione di reti QKD più sicure con dispositivi non attendibili. Questo protocollo può consentire la comunicazione basata su QKD su lunghe distanze, oltre a tassi di produzione delle chiavi più elevati e una verifica della rete più affidabile.
Finora, MDI-QKD è stato implementato con successo solo utilizzando fibre ottiche. Implementare il protocollo attraverso i canali nello spazio libero, d'altra parte, si è rivelato significativamente impegnativo.
Un gruppo di ricerca guidato da Jian-Wei Pan, dall'Università della Scienza e della Tecnologia in Cina, ha recentemente dimostrato per la prima volta MDI-QKD sicuro e a lunga distanza su un canale nello spazio libero. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , potrebbe aprire la strada a implementazioni MDI-QKD basate su satellite.
"L'obiettivo finale di QKD è realizzare una rete di comunicazione sicura quantistica su scala globale, "Qiang Zhang, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Per raggiungere questo ambizioso obiettivo, due sfide principali devono essere affrontate. Uno è ridurre il divario tra teoria e pratica della QKD, e l'altro è estendere la distanza di QKD. L'obiettivo del nostro recente lavoro era risolvere queste due difficoltà".
Teoricamente, QKD offre una maggiore sicurezza nelle comunicazioni sfruttando le leggi della fisica. Però, imperfezioni e vulnerabilità dei dispositivi reali potrebbero comportare deviazioni dai modelli utilizzati per effettuare analisi di sicurezza. Il protocollo MDI-QKD può aiutare ad affrontare questa sfida chiudendo tutte le scappatoie sul rilevamento contemporaneamente. Inoltre, può migliorare le prestazioni e la sicurezza delle implementazioni QKD su dispositivi reali, includendo stati esca.
Le implementazioni QKD basate su satellite potrebbero estendere la distanza attraverso la quale può avvenire questa comunicazione sicura, in quanto consentirebbero minori perdite di trasmissione e una trascurabile decoerenza nello spazio. Estendendo MDI-QKD dalla fibra ai canali a spazio libero, il lavoro di Pan e dei suoi colleghi potrebbe essere un primo passo verso l'implementazione di protocolli MDI-QKD su larga scala utilizzando i satelliti.
Possibili configurazioni di MDI-QKD satellitare. a) il satellite svolge il ruolo di terminale di rilevamento, mentre due stazioni di terra inviano fotoni tramite l'up-link al satellite. (b) Una stazione di terra svolge il ruolo di terminale di rilevamento. Gli utenti della rete terrestre in fibra condividono le chiavi segrete con il satellite tramite la stazione di terra. (c) MDI-QKD tra tre satelliti. Credito:Cao et al.
"Sebbene diversi esperimenti MDI-QKD basati su fibre siano stati eseguiti prima del nostro studio, nessuno di loro ha dimostrato la fattibilità del protocollo con un canale a spazio libero, "ha detto Zhang. "La ragione principale è che l'ampiezza e la fluttuazione di fase indotta dalla turbolenza atmosferica rende difficile mantenere l'indistinguibilità in termini di spazio, tempistiche e modalità spettrali tra fotoni indipendenti".
Poiché la turbolenza atmosferica distrugge tipicamente la modalità spaziale tra fotoni indipendenti, Le implementazioni MDI-QKD richiedono in genere l'uso di fibre monomodali per eseguire il filtraggio spaziale prima di applicare le tecniche di interferometria. Usando la fibra monomodale per accoppiare i fotoni, però, generalmente porta a una bassa efficienza di accoppiamento e a fluttuazioni di intensità. Risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo sistema di ottica adattiva che migliora l'efficienza complessiva del canale.
"Poiché la rapida fluttuazione dell'intensità della luce rende difficile la condivisione del riferimento tempo-frequenza, abbiamo sviluppato nuove tecnologie per ottenere una sincronizzazione temporale e un aggancio di frequenza ad alta precisione tra sorgenti di fotoni indipendenti situate molto distanti al fine di mantenere l'indistinguibilità delle modalità di temporizzazione e spettrale, " ha spiegato Zhang. "Grazie a queste scoperte tecniche, abbiamo completato un compito che sembrava impossibile da completare prima."
Lo studio è un'importante pietra miliare nel percorso verso l'implementazione di QKD su larga scala e il suo utilizzo per proteggere le comunicazioni su lunghe distanze. Inoltre, i ricercatori sono stati i primi a realizzare l'interferenza dei fotoni nei canali atmosferici a lunga distanza. Ciò potrebbe aprire entusiasmanti possibilità per lo sviluppo di tipi complessi di elaborazione delle informazioni quantistiche che coinvolgono l'interferenza quantistica, come lo scambio di entanglement quantistico e il teletrasporto quantistico. Potrebbe anche offrire nuovi modi per testare l'interfaccia tra la meccanica quantistica e la gravità.
L'obiettivo a lungo termine dei ricercatori è dimostrare l'MDI-QKD basato su satellite e infine costruire una rete quantistica globale. Per realizzare questo, però, dovranno prima superare una serie di ulteriori sfide.
"Una di queste sfide è l'elevata perdita indotta principalmente dalla fluttuazione atmosferica, " ha spiegato Zhang. "Nella configurazione più semplice di MDI-QKD basato su satellite, un satellite svolge il ruolo di terminale di rilevamento (cioè, due stazioni di terra inviano fotoni al satellite tramite l''up-link'). La perdita di canale misurata dal satellite Micius è di circa 41 ~ 52 dB da una stazione di terra con altitudine di 5, 100 miglia. È probabile che la perdita sia molto maggiore dalle stazioni di terra a un'altitudine inferiore. L'efficienza di accoppiamento in fibra monomodale è un'altra fonte di perdita, che è anche molto significativo con i sistemi MDI-QKD esistenti."
Al fine di consentire implementazioni MDI-QKD basate su satellite efficaci, perciò, i ricercatori dovranno prima far progredire i metodi esistenti per far transitare i fotoni attraverso i canali dello spazio libero. Per fare questo, hanno finora sviluppato un sistema di ottica adattiva e un algoritmo che aumenta l'efficienza dei canali nello spazio libero. Nei loro studi successivi, hanno in programma di creare altri algoritmi e tecniche per migliorare il canale di trasmissione complessivo.
"La seconda sfida che speriamo di vincere è legata al movimento dei satelliti, " ha aggiunto Zhang. "Poiché gli impulsi del segnale dovrebbero essere sovrapposti nel dominio del tempo al terminale di rilevamento, è necessaria una previsione molto accurata dell'orbita di un satellite, e anche il tempo di emissione di ciascun impulso codificato dovrebbe essere cronometrato accuratamente, in modo che possano finalmente sovrapporsi bene nel terminale di rilevamento. Lo spostamento di frequenza Doppler, d'altra parte, è un'importante fonte di disadattamento di frequenza che è fastidioso per l'interferenza HOM. Anche la frequenza di ciascun impulso codificato dovrebbe essere accuratamente spostata per la compensazione. Dopo aver risolto tutte queste sfide tecniche, crediamo che saremo in grado di realizzare MDI-QKD via satellite."
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