Aprire la strada a reti di comunicazione quantistiche sicure
L’emergere dei computer quantistici rende sempre più vulnerabili i metodi di crittografia convenzionali. Per rendere sicure le comunicazioni, è necessario sostituirle con la distribuzione a chiavi quantistiche (QKD), una tecnologia che salvaguarda le informazioni trasmesse dagli attacchi degli intercettatori. La QKD sfrutta le proprietà della fisica quantistica per proteggere la trasmissione dei dati, ma le limitazioni delle attuali sorgenti di luce quantistica hanno reso difficile la creazione di reti di grandi dimensioni. Un team di scienziati tedeschi, sostenuti in parte dai progetti MiNet e Qurope finanziati dall’UE e dal programma Programma europeo di metrologia per l’innovazione e la ricerca, ha ora condotto il primo esperimento QKD interurbano con una sorgente deterministica a fotone singolo (SPS). Descritto nel loro studio pubblicato sulla rivista «Light: Science & Applications», questo risultato rivoluzionerà il modo in cui le nostre informazioni riservate sono protette dalle minacce informatiche. «Lavoriamo con i punti quantici, che sono strutture minuscole simili agli atomi ma adattate alle nostre esigenze», spiega Fei Ding, autore senior dello studio, della Leibniz Universität Hannover (LUH), che coordina il progetto MiNet, in un articolo su «Newswise». «Per la prima volta abbiamo utilizzato questi “atomi artificiali” in un esperimento di comunicazione quantistica tra due città diverse. Questo setup, noto come “Niedersachsen Quantum Link”, collega Hannover e Braunschweig tramite fibra ottica».
Da Alice a Bob
L’esperimento si è svolto nello stato federale tedesco di Niedersachsen, con una fibra lunga 79 km che collega la LUH di Hannover e l’istituto nazionale di metrologia tedesco, il Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), a Braunschweig. Il trasmettitore Alice, situato presso la LUH, prepara staticamente singoli fotoni criptati in polarizzazione. Il ricevitore Bob, situato al PTB, conteneva un decodificatore di polarizzazione passivo per decifrare gli stati di polarizzazione dei singoli fotoni ricevuti attraverso i canali quantistici basati sulla fibra. «I dispositivi a punti quantici emettono singoli fotoni, che noi controlliamo e inviamo a Braunschweig per la misurazione. Questo processo è fondamentale per la distribuzione a chiavi quantistiche», osserva Ding. Il risultato è stato una trasmissione stabile e rapida delle chiavi segrete. I ricercatori hanno innanzitutto verificato che è possibile ottenere tassi di chiavi segrete (SKR, secret key rate) positivi per distanze fino a 144 km, corrispondenti a una perdita di 28,11 dB in laboratorio. Il collegamento in fibra ottica implementato ha garantito una trasmissione della chiave segreta ad alta velocità con un basso rapporto di errore di bit quantico per 35 ore. Il primo autore dello studio, Jingzhong Yang della LUH, spiega: «L’analisi comparativa con i sistemi QKD esistenti che coinvolgono SPS rivela che l’SKR ottenuto in questo lavoro va oltre tutte le attuali implementazioni basate su SPS. Anche senza un’ulteriore ottimizzazione della sorgente e della configurazione, le prestazioni si avvicinano ai livelli raggiunti dai protocolli QKD a stato decoy già affermati, basati su deboli impulsi coerenti.» I risultati della ricerca dimostrano che è possibile integrare senza problemi gli SPS a semiconduttore in reti di comunicazione quantistica realistiche, su larga scala e ad alta capacità. «Alcuni anni fa, potevamo solo sognare di utilizzare i punti quantici in scenari di comunicazione quantistica reali», commenta Ding. «Oggi siamo entusiasti di dimostrare il loro potenziale per molti altri esperimenti e applicazioni affascinanti in futuro, andando verso un “internet quantistico”.» Il progetto Qurope (Quantum Repeaters using On-demand Photonic Entanglement) si è concluso nel febbraio 2024. MiNet (Large-scale multipartite entanglement on a quantum metrology network) termina nel 2027. Per maggiori informazioni, consultare: progetto MiNet sito web del progetto Qurope
Parole chiave
MiNet, Qurope, quantistico, comunicazione quantistica, punto quantistico, distribuzione a chiavi quantistiche, sorgente a singolo fotone, minaccia informatica, fotone