La distribución de claves cuánticas (QKD) se considera ampliamente la forma más avanzada de criptografía cuántica y ofrece un camino hacia una seguridad prácticamente inquebrantable para la futura Internet cuántica. Una tecnología prometedora detrás de estos sistemas protegidos incluye puntos cuánticos semiconductores (SQD), pequeñas fuentes de luz de estado sólido capaces de generar fotones individuales de alta calidad para la comunicación cuántica. Estos dispositivos podrían ayudar a aumentar las tasas de generación de claves seguras y, al mismo tiempo, respaldar los futuros repetidores cuánticos necesarios para las redes cuánticas a gran escala.
Otro avance importante es la codificación time-bin, una técnica que almacena información sobre los tiempos de llegada de los fotones. Este método es particularmente atractivo para las comunicaciones cuánticas de larga distancia porque es inherentemente inmune a muchas perturbaciones ambientales que pueden alterar las redes de fibra óptica.
Cifrado cuántico estable en más de 120K
Un equipo de investigación internacional de universidades de Alemania y China ha demostrado el primer sistema QKD de intervalo de tiempo real impulsado por un dispositivo de punto cuántico semiconductor de telecomunicaciones bajo demanda. Sus resultados aparecieron como portada de una revista. Iluminación: ciencia y aplicaciones.
En el experimento, los científicos generaron de manera determinista y aleatoria tres estados de qubits de intervalos de tiempo separados utilizando un codificador de intervalos de tiempo autoestable. La configuración convierte fotones individuales polarizados producidos por puntos cuánticos de banda C de telecomunicaciones en señales cuánticas codificadas. En el extremo receptor, los qubits fotónicos se decodificaron con un interferómetro activamente estabilizado que contenía un desfasador, lo que permitió que el sistema funcionara durante largos períodos de tiempo sin ajuste manual.
Los investigadores han transmitido con éxito señales cuánticas a través de un enlace de fibra óptica que abarca más de 120 kilómetros entre el codificador y el decodificador. El sistema mantuvo una estabilidad impresionante durante más de seis horas de funcionamiento continuo.
Alta tasa de capital asegurada con Quantum Dot
El experimento de prueba de concepto logró la tasa de claves seguras más alta jamás reportada para un sistema QKD de intervalo de tiempo basado en un dispositivo de puntos cuánticos de alto rendimiento. La fuente de puntos cuánticos produjo fotones individuales brillantes y de gran pureza a una velocidad de funcionamiento de aproximadamente 76 MHz.
Incluso después de viajar a través de 120 kilómetros de fibra óptica estándar, el sistema mantuvo la tasa promedio de error de bits cuánticos por debajo del 11%. En condiciones prácticas de clave limitada, la configuración mantiene una velocidad de clave segura promedio de aproximadamente ~15 bits/s, un nivel considerado adecuado para aplicaciones de mensajes de texto cifrados del mundo real.
Los investigadores enfatizaron la importancia del progreso:
“Los QD de banda de telecomunicaciones con mejora de Purcell pueden proporcionar fotones de alto brillo adecuados para comunicaciones de fibra interurbanas, lo que los convierte en candidatos prometedores para la integración en sistemas QKD prácticos”.
La codificación de intervalo de tiempo mejora la estabilidad en el mundo real
El equipo también destacó las ventajas de la codificación en intervalos de tiempo sobre muchos sistemas QKD existentes basados en puntos cuánticos, que pueden ser muy sensibles a las perturbaciones ambientales.
“La mayoría de los sistemas QKD basados en QD existentes son vulnerables a cambios en los canales cuánticos prácticos causados por factores ambientales, como turbulencia, temperatura y vibración. Esto requiere una compensación activa. Por el contrario, la codificación de intervalo de tiempo, donde los qubits se codifican en posición temporal sin la complejidad de un solo canal, proporciona complejidad contra tales protocolos de compensación de gripe estónica”.
Según los científicos, el largo tiempo de funcionamiento ininterrumpido del sistema demuestra su robustez.
“Destacando la solidez inherente del esquema de intervalo de tiempo habilitado por el sistema, incluido el interferómetro de Sagnac (SNI), el control de retroalimentación activa, etc., el sistema funcionó de forma continua durante 6 horas”.
Los investigadores dicen que el trabajo marca un paso importante hacia sistemas de comunicación cuánticos prácticos y escalables que eventualmente podrían soportar redes cuánticas seguras en entornos del mundo real.
“Este resultado subraya la viabilidad de integrar fuentes de fotón único QD en sistemas QKD de intervalo de tiempo estables y desplegables en el campo, lo que marca un paso importante hacia redes de comunicación escalables y cuánticas seguras basadas en emisores de fotón único de estado sólido”.
