Avanzamenti nella distribuzione di chiavi quantistiche a lunga distanza
I ricercatori migliorano i metodi di comunicazione sicura usando interferometri di Sagnac per la distribuzione di chiavi quantistiche.
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Indice
Negli ultimi anni, i ricercatori hanno fatto progressi nello sviluppo di metodi di comunicazione sicuri usando la meccanica quantistica. Un’area di ricerca davvero interessante è la Distribuzione Quantistica delle Chiavi (QKD), una tecnica che permette a due parti di condividere chiavi segrete usate per la crittografia. Questo processo è considerato molto sicuro perché si basa sui principi della meccanica quantistica, dove ogni tentativo di intercettare la comunicazione sarà evidente.
Una variante promettente della QKD è chiamata Distribuzione Quantistica delle Chiavi a Campo Doppio (TFQKD). L'idea principale è che due persone, solitamente chiamate Alice e Bob, inviano impulsi di luce a un nodo centrale, comunemente noto come Charlie. Charlie misura gli impulsi per aiutare Alice e Bob a creare la loro chiave segreta. Affinché questo metodo funzioni efficacemente su lunghe distanze, gli impulsi di luce devono rimanere sincronizzati, il che può essere difficile a causa delle perturbazioni nei cavi in fibra ottica che trasmettono la luce.
Un metodo per affrontare questo problema prevede l'uso di un Interferometro di Sagnac, una configurazione che utilizza un anello circolare di fibra per migliorare la stabilità delle onde luminose. Questo approccio potrebbe portare a un sistema più efficiente per la QKD a lunga distanza.
Sfide nella Comunicazione a Lunga Distanza
Nonostante il suo potenziale, ci sono diverse sfide quando si cerca di utilizzare gli interferometri di Sagnac su lunghe distanze. Un problema principale è il rumore che proviene dalla retro-scattering Rayleigh, un fenomeno in cui la luce viene dispersa di nuovo verso la sorgente mentre viaggia attraverso la fibra. Questo rumore può interferire con i segnali, rendendo difficile ottenere misurazioni accurate.
Inoltre, la fase dell'onda luminosa, che è cruciale affinché il sistema funzioni correttamente, può fluttuare a causa di cambiamenti di temperatura e vibrazioni nell'ambiente. Poiché le onde luminose viaggiano attraverso diverse parti della fibra in momenti diversi, queste fluttuazioni possono interrompere la sincronizzazione necessaria per una distribuzione della chiave di successo.
I tentativi precedenti usando gli interferometri di Sagnac hanno principalmente funzionato su distanze più brevi, spesso meno di 20 chilometri. La sfida è stata trovare un modo per stabilizzare la fase su distanze molto più lunghe senza aver bisogno di attrezzature complesse e costose.
Un Approccio Innovativo
Per superare queste sfide, i ricercatori hanno sperimentato con l'invio di impulsi di luce invece di un flusso continuo. Utilizzando brevi impulsi seguiti da periodi di silenzio, potevano permettere a qualsiasi rumore disperso di diminuire prima che il prossimo impulso arrivasse ai rivelatori. Questo metodo sfrutta il fatto che il rumore di retro-scattering tende a decrescere nel tempo.
I ricercatori hanno anche esaminato da vicino come il Rumore di fase si comporta su lunghi anelli di fibra. Hanno scoperto che il rumore aumentava significativamente con la lunghezza della fibra, suggerendo che è necessario gestire con attenzione le condizioni ambientali della fibra.
Sperimentando con diverse configurazioni dell'interferometro di Sagnac, sono riusciti a mantenere modelli di interferenza stabili su distanze fino a 200 chilometri. Questo è notevole perché mostra che la QKD a lunga distanza usando interferometri di Sagnac può essere fattibile.
Misurazione delle Prestazioni
Per valutare le prestazioni della loro configurazione, i ricercatori hanno condotto esperimenti per misurare quanto bene gli impulsi di luce interferissero tra loro. Hanno esaminato come i cambiamenti nella lunghezza della fibra influenzassero la Visibilità del modello di interferenza, che è un buon indicatore di quanto bene stia funzionando il sistema.
Hanno scoperto che il loro approccio di usare modelli a impulsi ha migliorato significativamente la visibilità, rendendo il sistema più affidabile a distanze maggiori. Le misurazioni hanno mostrato che a 200 chilometri, la visibilità raggiunta era paragonabile a distanze più brevi dove la stabilizzazione della fase era gestita attivamente.
Implicazioni per le Reti Quantistiche
Questi risultati hanno importanti implicazioni per lo sviluppo di reti quantistiche metropolitane, dove vari utenti potrebbero aver bisogno di condividere chiavi in modo sicuro su lunghe distanze. La capacità di mantenere un'interferenza stabile in un anello di Sagnac senza la necessità di stabilizzazione attiva apre nuove possibilità per creare sistemi di comunicazione quantistica efficienti e convenienti.
I ricercatori iniziano a vedere il potenziale dei sistemi di Sagnac per funzionare bene in ambienti urbani, dove le infrastrutture esistenti in fibra ottica potrebbero essere utilizzate per stabilire collegamenti di comunicazione sicuri. Le tecniche sviluppate in questa ricerca possono aiutare a preparare il terreno per l'adozione diffusa della distribuzione quantistica delle chiavi nelle applicazioni del mondo reale.
Conclusione
In sintesi, i progressi negli interferometri di Sagnac a lunga fibra rappresentano un passo significativo in avanti per le reti di distribuzione quantistica delle chiavi. Affrontando le sfide poste dal rumore di fase e dal retro-scattering Rayleigh attraverso tecniche innovative come la modellazione a impulsi, i ricercatori si stanno avvicinando a rendere la comunicazione sicura su lunghe distanze una realtà.
La capacità di ottenere prestazioni affidabili su distanze di 200 chilometri senza attrezzature complicate indica che questi metodi potrebbero presto essere implementati in sistemi pratici di comunicazione quantistica. Ulteriori studi esploreranno senza dubbio la scalabilità di questi sistemi e le loro applicazioni in vari campi, inclusi il rilevamento distribuito e la condivisione sicura dei dati.
Mentre i ricercatori continuano a perfezionare e testare questi metodi, le prospettive per la distribuzione quantistica delle chiavi sembrano più luminose che mai, e il giorno in cui le comunicazioni quantistiche sicure diventeranno mainstream potrebbe essere più vicino di quanto si possa pensare. Il lavoro in quest'area è essenziale non solo per migliorare la tecnologia, ma anche per garantire la privacy nel nostro mondo sempre più connesso.
Titolo: Long-fiber Sagnac interferometers for twin field quantum key distribution networks
Estratto: A Sagnac loop structure can help overcome the major difficulty in the practical implementation of a twin field quantum key distribution (TFQKD) network, namely, the need to stabilize the phase of a quantum state over many kilometers of fiber. Unfortunately, Rayleigh backscattering noise limits the signal-to-noise ratio for Sagnac systems containing long fibers and lossy photonic devices. Here, we solve this problem by sending optical pulses in long on-off bursts and using time post-selection on measurements taken with free-run single-photon avalanche detectors. We also investigate the impact of the residual phase noise uncompensated by the Sagnac structure and find that the variance of the phase noise scales as loop length to the third power, verifying an existing calculation in the literature. We measure the interference visibility in Sagnac loops of varying length without active phase or polarization stabilization and achieve > 97% visibility in 200 km ultra-low-loss fiber, which is, to our knowledge, the longest fiber Sagnac interferometer demonstrated. Our results indicate the suitability of a Sagnac system for long-distance TFQKD networks, an important step towards the practical implementation of metropolitan quantum networks.
Autori: Reem Mandil, Li Qian, Hoi-Kwong Lo
Ultimo aggiornamento: 2024-07-15 00:00:00
Lingua: English
URL di origine: https://arxiv.org/abs/2407.08009
Fonte PDF: https://arxiv.org/pdf/2407.08009
Licenza: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
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