La crittografia quantistica è una delle tecnologie quantistiche più promettenti del nostro tempo:esattamente le stesse informazioni vengono generate in due luoghi diversi, e le leggi della fisica quantistica garantiscono che nessuna terza parte possa intercettare queste informazioni. Questo crea un codice con il quale le informazioni possono essere perfettamente crittografate.

Il team del Prof. Marcus Huber dell'Atomic Institute of TU Wien ha sviluppato un nuovo tipo di protocollo di crittografia quantistica, che è stato ora testato nella pratica in collaborazione con gruppi di ricerca cinesi:mentre fino ad ora si usavano normalmente fotoni che possono trovarsi in due stati diversi, la situazione qui è più complicata:ciascuno dei fotoni può seguire otto percorsi diversi. Come ora la squadra ha potuto dimostrare, questo rende la generazione della chiave crittografica quantistica più veloce e anche significativamente più robusta contro le interferenze. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista scientifica Lettere di revisione fisica .

Due stati, due dimensioni

"Ci sono molti modi diversi di usare i fotoni per trasmettere informazioni, "dice Marcus Huber. "Spesso, gli esperimenti si concentrano sulla polarizzazione dei loro fotoni. Per esempio, se oscillano orizzontalmente o verticalmente o se si trovano in uno stato di sovrapposizione quantomeccanico in cui, in un senso, assumono entrambi gli stati contemporaneamente. Simile a come puoi descrivere un punto su un piano bidimensionale con due coordinate, lo stato del fotone può essere rappresentato come un punto in uno spazio bidimensionale."

Ma un fotone può anche trasportare informazioni indipendentemente dalla direzione della polarizzazione. uno può, Per esempio, utilizzare le informazioni su quale percorso sta attualmente viaggiando il fotone. Questo è esattamente ciò che è stato ora sfruttato:"Un raggio laser genera coppie di fotoni in un tipo speciale di cristallo. Ci sono otto punti diversi nel cristallo in cui ciò può accadere, " spiega Marcus Huber. A seconda del punto in cui è stata creata la coppia di fotoni, ciascuno dei due fotoni può muoversi lungo otto percorsi diversi o lungo più percorsi contemporaneamente, il che è consentito anche secondo le leggi della teoria quantistica.

Questi due fotoni possono essere diretti in luoghi completamente diversi e analizzati lì. Una delle otto possibilità è misurata, completamente a caso, ma poiché i due fotoni sono quantisticamente entangled, lo stesso risultato si ottiene sempre in entrambi i posti. Chiunque si trovi al primo dispositivo di misurazione sa cosa sta rilevando un'altra persona al secondo dispositivo di misurazione e nessun altro nell'universo può ottenere queste informazioni.

otto stati, otto dimensioni

"Il fatto che qui usiamo otto possibili percorsi, e non due diverse direzioni di polarizzazione come di solito accade, fa una grande differenza, " dice Marcus Huber. "Lo spazio dei possibili stati quantistici diventa molto più grande. Il fotone non può più essere descritto da un punto in due dimensioni, matematicamente ora esiste in otto dimensioni."

Questo ha diversi vantaggi:primo, consente di generare più informazioni:a 8307 bit al secondo e oltre 2,5 bit per coppia di fotoni, un nuovo record è stato stabilito nella generazione di chiavi di crittografia quantistica basata sull'entanglement. E in secondo luogo, si può dimostrare che ciò rende il processo meno suscettibile alle interferenze.

"Con tutte le tecnologie quantistiche, devi affrontare il problema della decoerenza, " dice Marcus Huber. "Nessun sistema quantistico può essere perfettamente schermato dai disturbi. Ma se viene a contatto con disturbi, allora può perdere le sue proprietà quantistiche molto facilmente:gli entanglement quantistici vengono distrutti." Stati quantistici di dimensioni superiori, però, hanno meno probabilità di perdere l'intreccio anche in presenza di disturbi.

Inoltre, sofisticati meccanismi quantistici di correzione degli errori possono essere utilizzati per compensare l'influenza delle perturbazioni esterne. "Negli esperimenti, luce aggiuntiva è stata accesa in laboratorio per causare deliberatamente disturbi e il protocollo ha funzionato ancora, " dice Marcus Huber. "Ma solo se abbiamo effettivamente utilizzato otto percorsi diversi. Siamo stati in grado di dimostrare che con una semplice codifica bidimensionale non è più possibile generare una chiave crittografica in questo caso".

In linea di principio, dovrebbe essere possibile migliorare il nuovo, protocollo di crittografia quantistica più veloce e affidabile ulteriormente utilizzando gradi di libertà aggiuntivi o un numero ancora maggiore di percorsi diversi. "Però, questo non solo aumenta lo spazio dei possibili stati, diventa anche sempre più difficile a un certo punto leggere gli stati correttamente, "dice Marcus Huber. "Sembra che qui abbiamo trovato un buon compromesso, almeno all'interno della gamma di ciò che è attualmente tecnicamente possibile."