Stuttgart faz QKD baseada em emaranhamento a partir de um ponto quântico em fibra instalada no campus

Equipe liderada por Stuttgart gerou 14,2 Mbit de chave segura em 1,59 km de fibra do campus com fótons emaranhados de um ponto quântico convertidos para a banda telecom.

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Uma equipe liderada pela Universidade de Stuttgart realizou distribuição quântica de chaves (QKD) baseada em emaranhamento em um link de fibra instalado usando fótons de um ponto quântico semicondutor, em vez dos lasers atenuados ou cristais não lineares em que se baseia a maioria dos sistemas de campo. Em um preprint intitulado Deployed entanglement-based BBM92 quantum key distribution using frequency-converted photons emitted by a quantum dot, publicado em 27 de outubro, os 17 autores relatam uma taxa de chave segura de 206 Hz mantida por 19 horas através do campus Stuttgart-Vaihingen.

O que foi anunciado

Segundo o resumo, o link cobria 1,59 km de fibra instalada em campo e produziu ao todo 14,2 Mbit de chave segura, que a equipe usou para cifrar e decifrar uma imagem colorida. O Quantum Computing Report informa que a colaboração também envolveu a Universidade do Sarre e o Leibniz IFW Dresden, e descreve a cifragem da imagem como um one-time pad.

Os detalhes técnicos

A fonte é um ponto quântico de arseneto de gálio produzido por gravação com gotículas (droplet-etched) que emite pares de fótons emaranhados em polarização perto de 780 nm, excitado a uma taxa de 1 GHz. Como esse comprimento de onda se propaga mal na fibra de telecomunicações padrão, a equipe usou conversão quântica de frequência para deslocar um fóton de cada par para a faixa de telecom, preservando o emaranhamento de polarização. O QCR relata que a conversão levou os fótons de 779,8 nm para 1515 nm em um conversor do tipo Sagnac com eficiência interna de até 50%.

Outros números relatados pelo QCR:

fidelidade de 91,4% ao estado de Bell alvo, dentro de uma janela de coincidência de 275 picossegundos;
perda total de 1,09 dB no link de fibra, que liga um laboratório a um rack receptor em outro ponto do campus, com rastreamento motorizado de polarização;
taxa de chave bruta de 504 Hz e taxa segura de 206 Hz, com taxa média de erro de bits quânticos de 4,70%, abaixo do limite de 11% do protocolo BBM92;
correção de erros com blocos LDPC de 5.000 bits e amplificação de privacidade por hashing de Toeplitz.

O QCR diz que verificações de polarização a cada hora, feitas com placas de onda motorizadas, mantiveram o link estável durante as 19 horas, com pequenas quedas de vazão atribuídas à deriva térmica de um filtro de banda estreita.

Por que isso importa

Pontos quânticos podem emitir fótons sob demanda, o que evita um dilema básico das fontes baseadas em lasers e cristais entre brilho e emissões multifótons indesejadas. A desvantagem sempre foi o comprimento de onda. Os autores afirmam que o experimento mostra que uma fonte brilhante de fótons emaranhados operando em altas taxas, um conversor de frequência eficiente e sincronização temporal em nível de picossegundos podem funcionar juntos em uma rede real instalada, um passo rumo às redes quânticas híbridas.

O que observar

Os resultados são um preprint e ainda não passaram por revisão por pares. A distância é de escala de campus. As próximas perguntas são se a abordagem se sustenta em distâncias metropolitanas e redes com vários nós, e se as taxas de chave segura podem subir à medida que melhorem as eficiências da fonte e do conversor.