Stoccarda realizza QKD basata sull’entanglement da un punto quantico su fibra posata nel campus

Un gruppo guidato da Stoccarda ha generato 14,2 Mbit di chiave sicura su 1,59 km di fibra del campus con fotoni entangled da un punto quantico convertiti in banda telecom.

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Un gruppo guidato dall’Università di Stoccarda ha realizzato una distribuzione quantistica di chiavi (QKD) basata sull’entanglement su un collegamento in fibra già posato, usando fotoni emessi da un punto quantico a semiconduttore anziché i laser attenuati o i cristalli non lineari su cui si basa la maggior parte dei sistemi sul campo. In un preprint intitolato Deployed entanglement-based BBM92 quantum key distribution using frequency-converted photons emitted by a quantum dot, pubblicato il 27 ottobre, i 17 autori riportano un tasso di chiave sicura di 206 Hz mantenuto per 19 ore attraverso il campus di Stuttgart-Vaihingen.

Che cosa è stato annunciato

Secondo l’abstract, il collegamento copriva 1,59 km di fibra installata sul campo e ha prodotto in totale 14,2 Mbit di chiave sicura, che il gruppo ha usato per cifrare e decifrare un’immagine a colori. Quantum Computing Report riferisce che alla collaborazione hanno partecipato anche l’Università del Saarland e il Leibniz IFW Dresden, e descrive la cifratura dell’immagine come un cifrario a blocco monouso (one-time pad).

I dettagli tecnici

La sorgente è un punto quantico in arseniuro di gallio ottenuto per incisione a goccia (droplet-etched) che emette coppie di fotoni entangled in polarizzazione intorno a 780 nm, eccitato a una frequenza di 1 GHz. Poiché questa lunghezza d’onda si propaga male nella fibra per telecomunicazioni standard, il gruppo ha usato la conversione quantistica di frequenza per spostare un fotone di ogni coppia nella banda telecom preservando l’entanglement di polarizzazione. QCR riferisce che la conversione ha portato i fotoni da 779,8 nm a 1515 nm in un convertitore di tipo Sagnac con efficienza interna fino al 50%.

Altri valori riportati da QCR:

una fedeltà del 91,4% rispetto allo stato di Bell bersaglio, entro una finestra di coincidenza di 275 picosecondi;
una perdita totale di 1,09 dB sul collegamento in fibra, che unisce un laboratorio a un rack ricevente in un altro punto del campus, con inseguimento motorizzato della polarizzazione;
un tasso di chiave grezza di 504 Hz e un tasso sicuro di 206 Hz, con un tasso medio di errore sui bit quantistici del 4,70%, sotto il limite dell’11% del protocollo BBM92;
correzione degli errori con blocchi LDPC da 5.000 bit e amplificazione della privacy tramite hashing di Toeplitz.

Secondo QCR, controlli orari della polarizzazione con lamine d’onda motorizzate hanno mantenuto stabile il collegamento per tutte le 19 ore, con piccoli cali di throughput attribuiti alla deriva termica di un filtro a banda stretta.

Perché è importante

I punti quantici possono emettere fotoni su richiesta, evitando un compromesso di fondo delle sorgenti basate su laser e cristalli tra luminosità ed emissioni multifotone indesiderate. Il loro limite è stato la lunghezza d’onda. Gli autori affermano che l’esperimento dimostra che una sorgente brillante di fotoni entangled ad alta frequenza, un convertitore di frequenza efficiente e una sincronizzazione temporale al picosecondo possono funzionare insieme su una rete reale già posata, un passo verso le reti quantistiche ibride.

Cosa osservare

I risultati sono un preprint non ancora sottoposto a revisione paritaria. La distanza è su scala di campus. Le prossime domande sono se l’approccio regga su distanze metropolitane e in reti a più nodi, e se i tassi di chiave sicura possano crescere con il miglioramento dell’efficienza di sorgente e convertitore.