Il Cambridge Research Laboratory di Toshiba Europe ha annunciato oggi la prima dimostrazione di comunicazione quantistica su fibre ottiche di lunghezza superiore a 600 km. La svolta consentirà a lunga distanza, trasferimento di informazioni a sicurezza quantistica tra aree metropolitane, ed è un importante passo avanti verso la costruzione del futuro Internet quantistico.

Il termine Internet quantistico descrive una rete globale di computer quantistici collegati da collegamenti di comunicazione quantistica a lunga distanza. Si prevede che consentirà la soluzione ultraveloce di complessi problemi di ottimizzazione nel cloud, un sistema di cronometraggio globale più accurato e comunicazioni altamente sicure in tutto il mondo. Sono state annunciate diverse grandi iniziative del governo per costruire un Internet quantistico, Per esempio, negli Stati Uniti., UNIONE EUROPEA. e Cina.

Una delle sfide tecnologiche più difficili nella costruzione dell'internet quantistica, è il problema di come trasmettere bit quantistici su lunghe fibre ottiche. Piccoli cambiamenti nelle condizioni ambientali, come sbalzi di temperatura, fa sì che le fibre si espandano e si contraggano, mescolando così i fragili qubit, che sono codificati come ritardo di fase di un debole impulso ottico nella fibra.

Ora, Toshiba ha dimostrato distanze record per le comunicazioni quantistiche introducendo una nuova tecnica di stabilizzazione "dual band". Questo invia due segnali di riferimento ottico a diverse lunghezze d'onda per ridurre al minimo le fluttuazioni di fase sulle fibre lunghe. La prima lunghezza d'onda viene utilizzata per annullare le fluttuazioni rapidamente variabili, mentre la seconda lunghezza d'onda, alla stessa lunghezza d'onda dei qubit ottici, viene utilizzato per la regolazione fine della fase. Dopo aver implementato queste nuove tecniche, Toshiba ha scoperto che è possibile mantenere costante la fase ottica di un segnale quantistico entro una frazione di lunghezza d'onda, con una precisione di 10s di nanometri, anche dopo la propagazione attraverso centinaia di km di fibra. Senza cancellare queste fluttuazioni in tempo reale, la fibra si espanderebbe e si contrarrebbe con le variazioni di temperatura, rimescolando le informazioni quantistiche.

La prima applicazione per la stabilizzazione dual band sarà per la distribuzione di chiavi quantistiche a lunga distanza (QKD). I sistemi QKD commerciali sono limitati a circa 100-200 km di fibra. Nel 2018, Toshiba ha proposto il protocollo Twin Field QKD come un modo per estendere la distanza, e ha testato la sua resilienza alla perdita ottica utilizzando fibre corte e attenuatori. Introducendo la tecnica di stabilizzazione dual band, Toshiba ha ora implementato Twin Field QKD su fibre lunghe e ha dimostrato QKD su 600 km, per la prima volta.

"Questo è un risultato molto entusiasmante, " commenta Mirko Pittaluga, primo autore dell'articolo che descrive i risultati. "Con le nuove tecniche che abbiamo sviluppato, sono ancora possibili ulteriori estensioni della distanza di comunicazione per QKD e le nostre soluzioni possono essere applicate anche ad altri protocolli e applicazioni di comunicazione quantistica".

Andrea Scudi, capo della Quantum Technology Division di Toshiba Europe, dice, "Il QKD è stato utilizzato per proteggere le reti dell'area metropolitana negli ultimi anni. Quest'ultimo progresso estende la portata massima di un collegamento quantistico, in modo che sia possibile collegare città di paesi e continenti, senza utilizzare nodi intermedi fidati. Implementato insieme a Satellite QKD, ci consentirà di costruire una rete globale per comunicazioni protette quantistiche".

Taro Shimada, Corporate senior vice president e chief digital officer di Toshiba Corporation riflette, "Con questo successo nella tecnologia quantistica, Toshiba è disposta ad espandere ulteriormente la propria attività quantistica con rapidità. La nostra visione è una piattaforma per i servizi di tecnologia dell'informazione quantistica, che non solo consentirà una comunicazione sicura su scala globale, ma anche tecnologie di trasformazione come il calcolo quantistico basato su cloud e il rilevamento quantistico distribuito".

I dettagli del progresso sono pubblicati oggi sulla rivista scientifica, Fotonica della natura . Il lavoro è stato parzialmente finanziato dall'UE attraverso il progetto H2020, ApriQKD. Il team sta ora ingegnerizzando le soluzioni proposte per semplificarne l'adozione e l'implementazione future.

Quest'ultimo sviluppo segue l'annuncio dello scorso anno che BT e Toshiba avevano installato la prima rete industriale quantistica sicura del Regno Unito. Trasmissione dei dati tra il National Composites Center (NCC) e il Center for Modeling &Simulation (CFMS), La compatibilità multiplexing di Toshiba consente la trasmissione dei dati e delle chiavi quantistiche sulla stessa fibra, eliminando la necessità di costose infrastrutture dedicate per la distribuzione delle chiavi. L'arrivo combinato di QKD multiplex utilizzando l'infrastruttura esistente per distanze più brevi, insieme a Twin Field QKD per distanze maggiori, apre la strada a una rete quantistica globale commercialmente valida.

QKD consente agli utenti di scambiare in modo sicuro informazioni riservate (come estratti conto, cartelle cliniche, chiamate private) su un canale di comunicazione non affidabile (come Internet). Lo fa distribuendo agli utenti previsti una chiave segreta comune che può essere utilizzata per crittografare, e quindi proteggere, le informazioni scambiate attraverso il canale di comunicazione. La sicurezza della chiave segreta si basa sulle proprietà fondamentali dei singoli sistemi quantistici (fotoni, le particelle di luce) che vengono codificate e trasmesse per la generazione della chiave. Nel caso in cui questi fotoni vengano intercettati da un utente non designato, la fisica quantistica garantisce che gli utenti previsti possano percepire le intercettazioni, e di conseguenza tutelare la comunicazione.

A differenza di altre soluzioni di sicurezza esistenti, la sicurezza della crittografia quantistica deriva direttamente dalle leggi della fisica che usiamo per descrivere il mondo che ci circonda, e per questo motivo, è sicuro contro qualsiasi progresso futuro in matematica e informatica (incluso l'avvento dei computer quantistici). Alla luce di questo, Si prevede che QKD diventi uno strumento essenziale per proteggere le comunicazioni critiche per le operazioni per aziende e governi.