In un nuovo studio, ricercatori dimostrano un automatizzato, sistema di distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) di facile utilizzo utilizzando la rete in fibra nella città di Padova, Italia. Il test sul campo rappresenta un passo importante verso l'implementazione di questa tecnologia di comunicazione quantistica altamente sicura utilizzando il tipo di reti di comunicazione già in uso in molte regioni del mondo.

QKD offre una crittografia impenetrabile per la comunicazione dei dati perché utilizza le proprietà quantistiche della luce per generare chiavi casuali sicure per crittografare e decrittografare i dati.

"QKD può essere utile in qualsiasi situazione in cui la sicurezza è fondamentale perché offre sicurezza incondizionata per il processo di scambio delle chiavi, " ha detto Marco Avesani dell'Università degli Studi di Padova in Italia, co-primo autore del nuovo studio con Luca Calderaro e Giulio Foletto. "Può essere utilizzato per crittografare e autenticare i dati sanitari inviati tra ospedali o trasferimenti di denaro tra banche, Per esempio."

Nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , i ricercatori guidati da Paolo Villoresi e Giuseppe Vallone riferiscono che il loro semplice sistema è stabile nel tempo e può generare chiavi crittografiche a sicurezza quantistica a velocità sostenute su un'infrastruttura di telecomunicazioni standard.

"I sistemi QKD di solito richiedono un complesso sistema di stabilizzazione e hardware di sincronizzazione dedicato aggiuntivo, " ha affermato Avesani. "Abbiamo sviluppato un sistema QKD completo che può essere interfacciato direttamente con apparecchiature di telecomunicazione standard e non richiede hardware aggiuntivo per la sincronizzazione. Il sistema si inserisce facilmente negli armadi rack che si trovano comunemente nelle sale server."

Progettare un sistema facile da usare

Per produrre gli stati quantistici richiesti da QKD, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo codificatore per manipolare la polarizzazione dei singoli fotoni. Il codificatore, che i ricercatori chiamano iPOGNAC, fornisce un riferimento di polarizzazione fisso e stabile che non richiede frequenti ricalibrazioni. Questa caratteristica è vantaggiosa anche per lo spazio libero e la comunicazione quantistica satellitare, dove le ricalibrazioni sono difficili da eseguire.

"Grazie alla tecnologia che abbiamo sviluppato, la sorgente era pronta per produrre stati quantistici quando abbiamo spostato il nostro sistema dal laboratorio al luogo della prova sul campo, " disse Calderaro. "Non dovevamo fare il lento, e spesso incline al fallimento, procedura di allineamento richiesta per la maggior parte dei sistemi QKD."

I ricercatori hanno anche sviluppato un nuovo algoritmo di sincronizzazione, che chiamano

Qubit4Sync, per sincronizzare le macchine dei due utenti QKD. Anziché utilizzare hardware aggiuntivo dedicato e un canale di frequenza aggiuntivo per la sincronizzazione, il nuovo sistema utilizza software e gli stessi segnali ottici utilizzati per QKD. Questo rende il sistema più piccolo, più economico, e più facile da integrare in una rete ottica esistente.

Per testare il nuovo sistema, i ricercatori hanno portato i loro due terminali QKD in due edifici universitari a circa 3,4 km di distanza l'uno dall'altro in diverse sezioni di Padova. Hanno collegato i sistemi a due fibre ottiche sotterranee che fanno parte della rete di comunicazione dell'università. Queste fibre supportavano il canale quantistico che trasportava i qubit e il canale classico necessario per trasferire le informazioni ausiliarie.

Una videochiamata quantisticamente protetta

"La prova sul campo ha avuto successo, " ha detto Foletto. "Abbiamo dimostrato che il nostro semplice sistema può produrre chiavi segrete a velocità di kilobit al secondo e che funziona al di fuori del laboratorio con poco intervento umano. È stato anche facile e veloce da installare."

In una manifestazione pubblica, i ricercatori hanno utilizzato la loro configurazione per consentire una videochiamata quantisticamente protetta tra il Rettore dell'Università di Padova e il Direttore del Dipartimento di Matematica. I ricercatori osservano che le prestazioni del sistema sono paragonabili ad altri sistemi QKD commerciali in termini di tasso di generazione di chiavi segrete, pur avendo meno componenti ed essendo più facile da integrare in una rete in fibra esistente.

Stanno lavorando per ridurre le dimensioni dell'apparato di rilevamento e per rendere il sistema più robusto al rumore di altra luce che viaggia nella stessa fibra. Lo sforzo di sviluppare un sistema QKD completo e autonomo ha portato alla creazione di una società spin-off denominata ThinkQuantum s.r.l, che sta lavorando per commercializzare questa tecnologia.