A distribuição quântica de chaves (QKD) é amplamente considerada a forma mais avançada de criptografia quântica, oferecendo um caminho para uma segurança virtualmente inquebrável para a futura Internet quântica. Uma tecnologia promissora por trás desses sistemas seguros envolve pontos quânticos semicondutores (SQDs), minúsculas fontes de luz em estado sólido capazes de gerar fótons únicos de alta qualidade para comunicação quântica. Esses dispositivos poderiam ajudar a aumentar a velocidade da geração segura de chaves, ao mesmo tempo que apoiam os futuros repetidores quânticos necessários para redes quânticas em grande escala.
Outro desenvolvimento importante é a codificação de tempo, método que armazena informações sobre o horário de chegada dos fótons. Este método é particularmente atraente para comunicação quântica de longa distância porque é naturalmente robusto a muitos efeitos ambientais que podem perturbar redes de fibra óptica.
Criptografia quântica estável em mais de 120 quilômetros
Uma equipe de pesquisa internacional de universidades na Alemanha e na China demonstrou agora o primeiro sistema QKD alimentado em tempo real baseado em um dispositivo semicondutor de telecomunicações de pontos quânticos sob demanda. Seus resultados apareceram como capa de revista Luz: Ciência e Aplicações.
No experimento, os cientistas criaram três estados qubit separados do compartimento de tempo, tanto de forma determinística quanto aleatória, usando um codificador de compartimento de tempo autoestabilizador. A instalação converte fótons polarizados únicos, criados por um ponto quântico de telecomunicações de banda C, em sinais quânticos codificados. Na extremidade receptora, os qubits fotônicos foram decodificados usando um interferômetro ativamente estabilizado contendo um deslocador de fase, permitindo que o sistema operasse por longos períodos de tempo sem ajuste manual.
Os pesquisadores transmitiram com sucesso sinais quânticos por meio de um link de fibra óptica que se estende por mais de 120 quilômetros entre o codificador e o decodificador. O sistema também manteve uma estabilidade impressionante durante mais de seis horas de operação contínua.
Altas taxas de chave seguras com pontos quânticos
Um experimento de prova de conceito alcançou a mais alta taxa de chave segura para um sistema QKD de temporização baseado em um dispositivo de pontos quânticos de alto desempenho. A fonte de pontos quânticos produziu fótons únicos brilhantes e muito limpos, com uma frequência operacional de aproximadamente 76 MHz.
Mesmo depois de percorrer 120 quilômetros de fibra óptica padrão, o sistema manteve uma taxa média de erro quântico de bits abaixo de 11%. Sob condições práticas de chave final, a configuração manteve uma taxa média de chave segura de cerca de ~15 bps, um nível considerado adequado para aplicativos de mensagens de texto criptografadas do mundo real.
Os pesquisadores destacaram a importância do progresso:
“Os QDs de banda de telecomunicações aprimorados pela Purcell podem fornecer fótons de alto brilho adequados para comunicação de fibra de longa distância, tornando-os candidatos promissores para integração em sistemas QKD práticos.”
A codificação Time-Bin melhora a estabilidade no mundo real
A equipe também destacou as vantagens da codificação temporal em relação a muitos sistemas QKD existentes baseados em pontos quânticos, que podem ser muito sensíveis às perturbações ambientais.
“A maioria dos sistemas QKD baseados em QD existentes são vulneráveis a mudanças no canal quântico prático causadas por fatores ambientais, como turbulência, temperatura e vibração. Isso requer compensação ativa. Em contraste, a codificação de tempo, onde os qubits são codificados na posição temporal de fótons únicos, fornece estabilidade intrínseca contra tais flutuações de canal, mesmo sem quaisquer protocolos de compensação complexos.”
Segundo os cientistas, a operação ininterrupta do sistema a longo prazo indica a força da abordagem.
“O sistema opera continuamente por 6 horas, o que destaca a confiabilidade intrínseca dos circuitos de temporização incorporados ao sistema, incluindo o Interferômetro Sagnac (SNI), controle de feedback ativo, etc.”
Os pesquisadores dizem que o trabalho marca um passo importante em direção a sistemas de comunicação quântica práticos e escalonáveis que poderiam eventualmente suportar redes quânticas seguras em ambientes do mundo real.
“Este resultado destaca a viabilidade de integração de fontes QD de fóton único em sistemas QKD de compartimento de tempo estáveis e implantáveis em campo, marcando um passo importante em direção a redes de comunicação escalonáveis e protegidas por quantum baseadas em emissores de fóton único de estado sólido.”
