Dimostrazione della comunicazione quantistica su fibre ottiche superiori a 600 km

8 giugno 2021

dalla Toshiba Corporation

Il Cambridge Research Laboratory di Toshiba Europe ha annunciato oggi la prima dimostrazione di comunicazione quantistica su fibre ottiche che superano i 600 km di lunghezza. La svolta consentirà il trasferimento di informazioni a lunga distanza e con sicurezza quantistica tra aree metropolitane e rappresenta un importante passo avanti verso la costruzione della futura Internet quantistica.

Il termine Internet quantistico descrive una rete globale di computer quantistici collegati tramite collegamenti di comunicazione quantistica a lunga distanza. Si prevede che consentirà la soluzione ultraveloce di complessi problemi di ottimizzazione nel cloud, un sistema di cronometraggio globale più accurato e comunicazioni altamente sicure in tutto il mondo. Sono state annunciate diverse grandi iniziative governative per costruire un’Internet quantistica, ad esempio, negli Stati Uniti, nell’UE e in Cina.

Una delle sfide tecnologiche più difficili nella costruzione dell’Internet quantistica è il problema di come trasmettere bit quantistici su lunghe fibre ottiche. Piccoli cambiamenti nelle condizioni ambientali, come le fluttuazioni di temperatura, causano l'espansione e la contrazione delle fibre, codificando così i fragili qubit, che sono codificati come ritardo di fase di un debole impulso ottico nella fibra.

Ora, Toshiba ha dimostrato distanze record per le comunicazioni quantistiche introducendo una nuova tecnica di stabilizzazione “dual band”. Questo invia due segnali di riferimento ottico a diverse lunghezze d'onda per ridurre al minimo le fluttuazioni di fase sulle fibre lunghe. La prima lunghezza d'onda viene utilizzata per annullare le fluttuazioni rapidamente variabili, mentre la seconda lunghezza d'onda, alla stessa lunghezza d'onda dei qubit ottici, viene utilizzata per la regolazione fine della fase. Dopo aver implementato queste nuove tecniche, Toshiba ha scoperto che è possibile mantenere costante la fase ottica di un segnale quantistico entro una frazione di lunghezza d'onda, con una precisione di decine di nanometri, anche dopo la propagazione attraverso centinaia di km di fibra. Senza annullare queste fluttuazioni in tempo reale, la fibra si espanderebbe e si contrarrebbe con i cambiamenti di temperatura, confondendo le informazioni quantistiche.

La prima applicazione per la stabilizzazione a doppia banda sarà per la distribuzione delle chiavi quantistiche a lunga distanza (QKD). I sistemi QKD commerciali sono limitati a circa 100-200 km di fibra. Nel 2018, Toshiba ha proposto il protocollo Twin Field QKD come un modo per estendere la distanza e ne ha testato la resilienza alla perdita ottica utilizzando fibre corte e attenuatori. Introducendo la tecnica di stabilizzazione a doppia banda, Toshiba ha ora implementato Twin Field QKD su fibre lunghe e dimostrato QKD su 600 km, per la prima volta.

"Si tratta di un risultato davvero entusiasmante", commenta Mirko Pittaluga, primo autore dell'articolo che descrive i risultati. "Con le nuove tecniche che abbiamo sviluppato, sono ancora possibili ulteriori estensioni della distanza di comunicazione per QKD e le nostre soluzioni possono essere applicate anche ad altri protocolli e applicazioni di comunicazione quantistica."

Andrew Shields, capo della divisione Tecnologia quantistica di Toshiba Europe, afferma: "Negli ultimi anni la QKD è stata utilizzata per proteggere le reti delle aree metropolitane. Quest'ultimo progresso estende la portata massima di un collegamento quantistico, in modo che sia possibile connettere città attraverso paesi e continenti, senza utilizzare nodi intermedi affidabili. Implementato insieme a Satellite QKD, ci consentirà di costruire una rete globale per comunicazioni quantistiche sicure."

Taro Shimada, vicepresidente senior aziendale e chief digital officer di Toshiba Corporation, riflette: "Con questo successo nella tecnologia quantistica, Toshiba è disposta a espandere ulteriormente il proprio business quantistico in tempi rapidi. La nostra visione è una piattaforma per servizi di tecnologia dell'informazione quantistica, che non solo consentono comunicazioni sicure su scala globale, ma anche tecnologie di trasformazione come l’informatica quantistica basata su cloud e il rilevamento quantistico distribuito”.

I dettagli del progresso sono pubblicati oggi sulla rivista scientifica Nature Photonics. Il lavoro è stato parzialmente finanziato dall’UE attraverso il progetto H2020, OpenQKD. Il team sta ora progettando le soluzioni proposte per semplificarne l’adozione e l’implementazione futura.