Demostración de la comunicación cuántica a través de fibras ópticas a lo largo de 600 km

El Laboratorio de Investigación de Cambridge de Toshiba Europe anunció hoy la primera demostración de comunicación cuántica a través de fibra óptica a lo largo de 600 km. Este avance permitirá la transferencia de información segura cuántica a larga distancia entre áreas metropolitanas, y es un gran paso adelante en la construcción de la futura Internet cuántica.

El término internet cuántico describe una red global de computadoras cuánticas conectadas por cuántica a largas distancias. la comunicación vínculos. Debería permitir la solución ultrarrápida de problemas complejos de optimización en la nube, un sistema de cronometraje global más preciso y comunicaciones altamente seguras en todo el mundo. Se han anunciado varias iniciativas gubernamentales importantes para crear una Internet cuántica, por ejemplo, en los Estados Unidos, la UE y China.

Uno de los desafíos tecnológicos más difíciles en la construcción de la Internet cuántica es el problema de transmitir bits cuánticos a través de fibras ópticas largas. Los pequeños cambios en las condiciones ambientales, como las fluctuaciones de temperatura, hacen que las fibras se expandan y contraigan, codificando qubits frágiles, que se codifican como un retardo de fase de un pequeño pulso óptico en la fibra.

Hoy, Toshiba ha demostrado distancias récord para las comunicaciones cuánticas mediante la introducción de una nueva técnica de estabilización de «banda dual». Esto envía dos señales ópticas de referencia a diferentes longitudes de onda para minimizar las fluctuaciones de fase en fibras largas. La primera longitud de onda se usa para cancelar fluctuaciones que varían rápidamente, mientras que la segunda longitud de onda, a la misma longitud de onda que los qubits ópticos, se usa para la sintonización fina de fase. Después de implementar estas nuevas técnicas, Toshiba descubrió que era posible mantener la fase óptica de una señal cuántica constante a una fracción de una longitud de onda, con una precisión de 10 s de nanómetros, incluso después de propagar más de 100 km de fibra. Sin cancelar estas fluctuaciones en tiempo real, la fibra se expandiría y contraería con los cambios de temperatura, codificando la información cuántica.

La primera aplicación para la estabilización de banda dual será para la distribución de clave cuántica de largo alcance (QKD). Los sistemas QKD comerciales están limitados a aproximadamente 100-200 km de fibra. En 2018, Toshiba ofreció el protocolo Twin Field QKD como una forma de extender la distancia y probó su resistencia a la pérdida óptica utilizando fibras cortas y atenuadores. Al introducir la técnica de estabilización de doble banda, Toshiba ha implementado Twin Field QKD en fibras largas y ha demostrado QKD en 600 km por primera vez.

«Este es un resultado muy emocionante», comenta Mirko Pittaluga, primer autor del artículo que describe los resultados. “Con las nuevas técnicas que hemos desarrollado, siempre es posible ampliar más la distancia de comunicación para QKD y nuestras soluciones también se pueden aplicar a otros protocolos y aplicaciones de comunicación cuántica. «

Andrew Shields, director de tecnología cuántica de Toshiba Europa, dice: “QKD se ha utilizado para proteger las redes de metro durante los últimos años. Este último avance amplía el alcance máximo de un enlace cuántico, de modo que es posible conectar ciudades en países y continentes, sin utilizar nodos intermediarios confiables. Implementado con Satellite QKD, nos permitirá construir una red global para comunicaciones cuánticas seguras.

Taro Shimada, vicepresidente senior corporativo y director digital de Toshiba Corporation, dijo: “Con este éxito en la tecnología cuántica, Toshiba está preparada para expandir aún más su negocio cuántico a un ritmo rápido. Our Vision es una plataforma para servicios de tecnología de la información cuántica, que no solo permite la comunicación segura a escala global, sino también tecnologías transformadoras como la computación cuántica basada en la nube y la detección cuántica distribuida. «

Los detalles del progreso se publican hoy en la revista científica, Fotónica de la naturaleza. El trabajo fue parcialmente financiado por la UE como parte del proyecto H2020, OpenQKD. El equipo está desarrollando actualmente las soluciones propuestas para simplificar su futura adopción e implementación.

El último desarrollo sigue al anuncio el año pasado de que BT y Toshiba habían instalado la primera red industrial cuántica segura del Reino Unido. Al transmitir datos entre el National Composites Center (NCC) y el Center for Modeling & Simulation (CFMS), la compatibilidad de multiplexación de Toshiba permite que los datos y las claves cuánticas se transmitan a través de la misma fibra, eliminando la necesidad de una costosa infraestructura dedicada para la distribución de claves. La llegada combinada de QKD multiplexado utilizando la infraestructura existente para distancias más cortas, junto con Twin Field QKD para distancias más largas, allana el camino para una red global segura cuántica comercialmente viable.

QKD permite a los usuarios intercambiar información confidencial de forma segura (como extractos bancarios, registros médicos, llamadas privadas) a través de un canal de comunicación poco fiable (como Internet). Para ello, distribuye a los usuarios objetivo una clave secreta común que se puede utilizar para cifrar y, por tanto, proteger la información intercambiada a través del canal de comunicación. La seguridad de la clave secreta se basa en las propiedades fundamentales de los sistemas cuánticos individuales (fotones, partículas de luz) que se codifican y transmiten para la generación de la clave. En el caso de que estos fotones sean interceptados por un usuario no identificado, la física cuántica asegura que los usuarios previstos puedan percibir las escuchas y, por lo tanto, proteger la comunicación.

A diferencia de otras soluciones de seguridad existentes, la seguridad de la criptografía cuántica se deriva directamente de las leyes de la física que usamos para describir el mundo que nos rodea y, por esta razón, está protegida contra todos los avances futuros en matemáticas y computación (incluido el advenimiento de la tecnología cuántica). ordenadores). A la luz de esto, QKD debería convertirse en una herramienta esencial para proteger las comunicaciones críticas para empresas y gobiernos.

Proporcionado por Toshiba Corporation