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 protegidos inclui pontos quânticos semicondutores (SQD), minúsculas fontes de luz em estado sólido capazes de gerar fótons únicos de alta qualidade para comunicação quântica. Esses dispositivos poderiam ajudar a aumentar as taxas seguras de geração de chaves, ao mesmo tempo que apoiam os futuros repetidores quânticos necessários para redes quânticas em grande escala.
Outro desenvolvimento importante é a codificação time-bin, uma técnica que armazena informações sobre os tempos de chegada dos fótons. Este método é particularmente atraente para comunicações quânticas de longa distância porque é inerentemente imune a muitos distúrbios ambientais que podem perturbar as redes de fibra óptica.
Criptografia quântica estável acima de 120K
Uma equipe de pesquisa internacional de universidades na Alemanha e na China demonstrou agora o primeiro sistema QKD de compartimento de tempo verdadeiro alimentado por um dispositivo de ponto quântico semicondutor de telecomunicações sob demanda. Seus resultados apareceram como capa de jornal Iluminação: Ciência e Aplicações.
No experimento, os cientistas geraram de forma determinística e aleatória três estados qubit de compartimento de tempo separados usando um codificador de compartimento de tempo autoestável. A configuração converte fótons únicos polarizados produzidos por pontos quânticos de banda C de telecomunicações em sinais quânticos codificados. Na extremidade receptora, os qubits fotônicos foram decodificados com 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 através de um link de fibra óptica que abrange mais de 120 quilômetros entre o codificador e o decodificador. O sistema manteve uma estabilidade impressionante durante mais de seis horas de operação contínua.
Alta taxa principal garantida com Quantum Dot
O experimento de prova de conceito alcançou a maior taxa de chave segura já relatada para um sistema QKD de compartimento de tempo baseado em um dispositivo de pontos quânticos de alto desempenho. A fonte de pontos quânticos produziu fótons únicos brilhantes e altamente puros a uma taxa operacional de cerca de 76 MHz.
Mesmo depois de percorrer 120 quilômetros de fibra óptica padrão, o sistema manteve a taxa média de erro quântico de bits abaixo de 11%. Sob condições práticas de chave limitada, a configuração mantém uma taxa média de chave segura de cerca de ~15 bits/s, um nível considerado adequado para aplicações de mensagens de texto criptografadas do mundo real.
Os pesquisadores enfatizaram a importância do progresso:
“QDs de banda de telecomunicações com aprimoramento Purcell podem fornecer fótons de alto brilho adequados para comunicações de fibra intermunicipais, 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 time-bin em relação a muitos sistemas QKD baseados em pontos quânticos existentes, que podem ser altamente sensíveis a perturbações ambientais.
“A maioria dos sistemas QKD baseados em QD existentes são vulneráveis a mudanças nos canais quânticos práticos causadas por fatores ambientais, como turbulência, temperatura e vibração. Isso requer compensação ativa. Em contraste, a codificação time-bin, onde os qubits são codificados na posição temporal sem a complexidade de um único canal, fornece complexidade contra esses protocolos de compensação da gripe estônica.”
Segundo os cientistas, o longo tempo de execução ininterrupto do sistema demonstra a robustez do sistema.
“Destacando a robustez inerente ao esquema de intervalo de tempo habilitado pelo sistema, incluindo o interferômetro Sagnac (SNI), controle de feedback ativo, etc., o sistema operou continuamente por 6 horas.”
Os pesquisadores dizem que o trabalho marca um passo importante em direção a sistemas de comunicação quântica práticos e escaláveis que poderiam eventualmente suportar redes quânticas seguras em ambientes do mundo real.
“Este resultado ressalta 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 escaláveis e seguras quânticas baseadas em emissores de fóton único de estado sólido.”
