Demostración de comunicación cuántica sobre fibras ópticas de más de 600 km

8 de junio de 2021

de Toshiba Corporation

El Laboratorio de Investigación de Cambridge de Toshiba Europa ha anunciado hoy la primera demostración de comunicación cuántica sobre fibras ópticas de más de 600 km de longitud. El avance permitirá la transferencia de información de larga distancia con seguridad cuántica entre áreas metropolitanas, y es un gran avance hacia la construcción de la Internet cuántica del futuro.

El término internet cuántico describe una red global de computadoras cuánticas conectadas por enlaces de comunicación cuántica de larga distancia. Se espera que permita 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 construir una Internet cuántica, por ejemplo, en los EE. UU., la UE y China.

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

Ahora, Toshiba ha demostrado distancias récord para las comunicaciones cuánticas mediante la introducción de una nueva técnica de estabilización de "doble banda". Esto envía dos señales de referencia óptica en diferentes longitudes de onda para minimizar las fluctuaciones de fase en fibras largas. La primera longitud de onda se usa para cancelar las fluctuaciones que varían rápidamente, mientras que la segunda longitud de onda, a la misma longitud de onda que los qubits ópticos, se usa para el ajuste fino de la fase. Después de implementar estas nuevas técnicas, Toshiba descubrió que es posible mantener constante la fase óptica de una señal cuántica dentro de una fracción de longitud de onda, con una precisión de decenas de nanómetros, incluso después de la propagación a través de cientos de kilómetros 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 doble banda será para distribución de clave cuántica (QKD) de larga distancia. Los sistemas QKD comerciales están limitados a alrededor de 100-200 km de fibra. En 2018, Toshiba propuso 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. Con la introducción de la técnica de estabilización de doble banda, Toshiba implementó Twin Field QKD en fibras largas y demostró 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, aún son posibles extensiones adicionales de la distancia de comunicación para QKD y nuestras soluciones también se pueden aplicar a otros protocolos y aplicaciones de comunicaciones cuánticas".

Andrew Shields, jefe de la División de Tecnología Cuántica de Toshiba Europa, dice: "QKD se ha utilizado para asegurar redes de área metropolitana en los últimos años. Este último avance amplía el alcance máximo de un enlace cuántico, de modo que es posible conectar ciudades a través de países y continentes, sin utilizar nodos intermedios confiables. Implementado junto con Satellite QKD, nos permitirá construir una red global para comunicaciones cuánticas seguras".

Taro Shimada, vicepresidente sénior corporativo y director digital de Toshiba Corporation, reflexiona: "Con este éxito en Quantum Technology, Toshiba está dispuesto a expandir aún más su negocio cuántico a gran velocidad. Nuestra visión es una plataforma para servicios de tecnología de información cuántica, que no solo permiten 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 avance se publican hoy en la revista científica Nature Photonics. El trabajo fue parcialmente financiado por la UE a través del proyecto H2020, OpenQKD. El equipo ahora está diseñando las soluciones propuestas para simplificar su futura adopción e implementación.

Este 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 Centro Nacional de Compuestos (NCC) y el Centro de Modelado y Simulación (CFMS), la compatibilidad de multiplexación de Toshiba permite que los datos y las claves cuánticas se transmitan en 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 cuántica segura global comercialmente viable.

QKD permite a los usuarios intercambiar de forma segura información confidencial (como extractos bancarios, registros de salud, llamadas privadas) a través de un canal de comunicación no confiable (como Internet). Lo hace mediante la distribución a los usuarios previstos de una clave secreta común que se puede utilizar para cifrar y, por lo 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, las 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 designado, la física cuántica garantiza que los usuarios previstos puedan percibir las escuchas y, en consecuencia, 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, es segura frente a cualquier avance futuro en matemáticas e informática (incluida la llegada de las computadoras cuánticas). ). A la luz de esto, se espera que QKD se convierta en una herramienta esencial para proteger las comunicaciones de operaciones críticas para empresas y gobiernos.

Más información: Mirko Pittaluga et al, Comunicaciones cuánticas de tipo repetidor de 600 km con estabilización de doble banda, Nature Photonics (2021). DOI: 10.1038/s41566-021-00811-0

Información del diario:Fotónica de la naturaleza

Proporcionado por Toshiba Corporation