Una figura conceptual del experimento MDI-QKD en una ciudad. Los telescopios están ubicados en edificios de gran altura para transmitir fotones codificados. La turbulencia de la atmósfera, que existe en todas partes en el canal de transmisión, Es el principal desafío para los fotones mantener el modo espacial en el terminal de detección. Crédito:Yao Zheng / Micius Salon.
La distribución de claves cuánticas (QKD) es una técnica que permite comunicaciones seguras entre dispositivos mediante un protocolo criptográfico que se basa en parte en la mecánica cuántica. Este método de comunicación permite, en última instancia, que dos partes cifren y descifren los mensajes que se envían entre sí utilizando una clave única que las otras partes desconocen.
La distribución de claves cuánticas independientes del dispositivo de medición (MDI-QKD) es un protocolo único que facilita la creación de redes QKD más seguras con dispositivos que no son de confianza. Este protocolo puede permitir la comunicación basada en QKD a distancias más largas, así como mayores tasas de producción de claves y verificación de red más confiable.
Hasta aquí, MDI-QKD solo se ha implementado con éxito utilizando fibra óptica. Implementar el protocolo a través de canales de espacio libre, por otra parte, ha demostrado ser un desafío significativo.
Un grupo de investigación dirigido por Jian-Wei Pan, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, ha demostrado recientemente MDI-QKD seguro y de larga distancia a través de un canal de espacio libre por primera vez. Su papel publicado en Cartas de revisión física , podría allanar el camino para implementaciones MDI-QKD basadas en satélites.
"El objetivo final de QKD es realizar una red de comunicación cuántica segura a escala global, "Qiang Zhang, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Para lograr este ambicioso objetivo, Es necesario abordar dos desafíos principales. Uno es reducir la brecha entre la teoría y la práctica de QKD, y el otro es extender la distancia de QKD. El objetivo de nuestro trabajo reciente fue resolver estas dos dificultades ".
Teóricamente QKD ofrece una mayor seguridad en las comunicaciones aprovechando las leyes de la física. Sin embargo, Las imperfecciones y vulnerabilidades de los dispositivos reales podrían resultar en desviaciones de los modelos utilizados para realizar análisis de seguridad. El protocolo MDI-QKD puede ayudar a abordar este desafío al cerrar todas las lagunas en la detección a la vez. Es más, puede mejorar el rendimiento y la seguridad de las implementaciones de QKD en dispositivos reales, incluyendo estados señuelo.
Las implementaciones de QKD basadas en satélites podrían extender la distancia a través de la cual puede tener lugar esta comunicación segura, ya que permitirían menores pérdidas de transmisión y una decoherencia insignificante en el espacio. Al extender MDI-QKD de fibra a canales de espacio libre, El trabajo de Pan y sus colegas podría ser un primer paso hacia la implementación de protocolos MDI-QKD a gran escala utilizando satélites.
Posibles configuraciones de MDI-QKD basado en satélites. a) el satélite desempeña la función de terminal de detección, mientras que dos estaciones terrestres envían fotones a través del enlace ascendente al satélite. (b) Una estación terrestre desempeña el papel de terminal de detección. Los usuarios de la red terrestre basada en fibra comparten claves secretas con el satélite a través de la estación terrestre. (c) MDI-QKD entre tres satélites. Crédito:Cao et al.
"Aunque se han realizado varios experimentos MDI-QKD basados en fibra antes de nuestro estudio, ninguno de ellos ha demostrado la viabilidad del protocolo con un canal de espacio libre, ", Dijo Zhang." La razón principal es que la amplitud y la fluctuación de fase inducida por la turbulencia atmosférica hace que sea difícil mantener la indistinguibilidad en términos de espacio, tiempos y modos espectrales entre fotones independientes ".
Como la turbulencia atmosférica normalmente destruye el modo espacial entre fotones independientes, Las implementaciones de MDI-QKD generalmente requieren el uso de fibra monomodo para realizar el filtrado espacial antes de aplicar técnicas de interferometría. Usando fibra monomodo para acoplar fotones, sin embargo, generalmente conduce a una baja eficiencia de acoplamiento y una fluctuación de intensidad baja. Para resolver este problema, los investigadores desarrollaron un nuevo sistema de óptica adaptativa que mejora la eficiencia general del canal.
"Dado que la rápida fluctuación de la intensidad de la luz dificulta compartir la referencia de frecuencia de tiempo, Desarrollamos nuevas tecnologías para lograr sincronización de tiempo de alta precisión y bloqueo de frecuencia entre fuentes de fotones independientes ubicadas muy alejadas para mantener la indistinguibilidad de los modos de sincronización y espectral. ", Explicó Zhang." Gracias a estos avances técnicos, completamos una tarea que antes parecía imposible de completar ".
El estudio es un hito importante en el camino hacia la implementación de QKD a gran escala y su uso para asegurar las comunicaciones en distancias más largas. Es más, los investigadores fueron los primeros en darse cuenta de la interferencia de fotones en canales atmosféricos de larga distancia. Esto podría abrir interesantes posibilidades para el desarrollo de tipos complejos de procesamiento de información cuántica que involucre interferencia cuántica, como el intercambio de entrelazamiento cuántico y la teletransportación cuántica. También podría ofrecer nuevas formas de probar la interfaz de la mecánica cuántica y la gravedad.
El objetivo a largo plazo de los investigadores es demostrar MDI-QKD basado en satélites y, finalmente, construir una red cuántica global. Lograr esto, sin embargo, primero deberán superar una serie de desafíos adicionales.
"Uno de estos desafíos es la gran pérdida inducida principalmente por la fluctuación atmosférica, ", Explicó Zhang." En la configuración más sencilla de MDI-QKD basado en satélites, un satélite desempeña el papel de terminal de detección (es decir, dos estaciones terrestres envían fotones a través del 'enlace ascendente' al satélite). La pérdida de canal medida por el satélite Micius es de aproximadamente 41 ~ 52 dB desde una estación terrestre con una altitud de 5, 100 millas. Es probable que la pérdida sea mucho mayor en las estaciones terrestres ubicadas a menor altitud. La eficiencia del acoplamiento de fibra monomodo es otra fuente de pérdida, lo cual también es muy significativo con los sistemas MDI-QKD existentes ".
Para permitir implementaciones efectivas de MDI-QKD basadas en satélites, por lo tanto, Los investigadores primero necesitarán avanzar en los métodos existentes para transportar fotones a través de canales de espacio libre. Para hacer esto, hasta ahora han desarrollado un sistema de óptica adaptativa y un algoritmo que aumenta la eficiencia de los canales de espacio libre. En sus próximos estudios, planean crear otros algoritmos y técnicas para mejorar el canal de transmisión general.
"El segundo desafío que esperamos superar está asociado con el movimiento de los satélites, ", Agregó Zhang." Dado que se espera que los pulsos de señal se superpongan en el dominio del tiempo en el terminal de detección, se requiere una predicción muy precisa de la órbita de un satélite, y el tiempo de emisión de cada pulso codificado también debe cronometrarse con precisión, para que finalmente puedan superponerse bien en el terminal de detección. El cambio de frecuencia Doppler, por otra parte, es una fuente importante de desajuste de frecuencia que es molesto para la interferencia HOM. La frecuencia de cada pulso codificado también debe cambiarse con precisión para la compensación. Después de resolver todos estos desafíos técnicos, creemos que podremos realizar MDI-QKD basado en satélites ".
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