El Laboratorio de Investigación de Cambridge de Toshiba Europa anunció hoy la primera demostración de comunicación cuántica a través de fibras ópticas que superan los 600 km de longitud. El avance permitirá la larga distancia, transferencia de información con seguridad cuántica entre áreas metropolitanas, y es un gran avance hacia la construcción de la futura Internet cuántica.

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 complejos problemas 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., UE. y China.

Uno de los desafíos tecnológicos más difíciles en la construcción de la Internet cuántica, es el problema de cómo transmitir bits cuánticos a través de fibras ópticas largas. Pequeños cambios en las condiciones ambientales, como fluctuaciones de temperatura, hacer que las fibras se expandan y contraigan, así revolver a los frágiles qubits, que se codifican como un retardo 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 novedosa 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 utiliza 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 utiliza 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 una longitud de onda, con una precisión de decenas de nanómetros, incluso después de la propagación a través de cientos de 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 distribución de claves cuánticas de larga distancia (QKD). Los sistemas QKD comerciales están limitados a unos 100-200 km de fibra. En 2018, Toshiba propuso el protocolo Twin Field QKD como una forma de ampliar la distancia, y probó su resistencia a la pérdida óptica utilizando fibras cortas y atenuadores. Al introducir la técnica de estabilización de banda dual, Toshiba ahora ha implementado Twin Field QKD en fibras largas y ha demostrado QKD a lo largo de 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 más extensiones 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 proteger las redes de áreas metropolitanas en los últimos años. Este último avance extiende el alcance máximo de un enlace cuántico, para que sea posible conectar ciudades de países y continentes, sin utilizar nodos intermedios de confianza. Implementado junto con Satellite QKD, nos permitirá construir una red global para comunicaciones cuánticas seguras ".

Taro Shimada, El vicepresidente senior corporativo y director digital de Toshiba Corporation refleja, "Con este éxito en la tecnología cuántica, Toshiba está dispuesta a expandir aún más su negocio cuántico a gran velocidad. Nuestra visión es una plataforma para servicios de tecnología de la información cuántica, que no solo permitirá una comunicación segura a escala global, pero también tecnologías de transformación como la computación cuántica basada en la nube y la detección cuántica distribuida ".

Los detalles del avance se publican hoy en la revista científica, Fotónica de la naturaleza . 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. Transmisión de 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 multiplexados utilizando la infraestructura existente para distancias más cortas, junto con Twin Field QKD para distancias más largas, allana el camino para una red de seguridad cuántica global comercialmente viable.

QKD permite a los usuarios intercambiar información confidencial de forma segura (como extractos bancarios, registros de salud, llamadas privadas) a través de un canal de comunicación que no es de confianza (como Internet). Lo hace distribuyendo a los usuarios previstos una clave secreta común que se puede utilizar para cifrar, y así 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 claves. 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 razon, está a salvo de cualquier avance futuro en matemáticas y computación (incluido el advenimiento de las computadoras cuánticas). A la luz de esta, Se espera que QKD se convierta en una herramienta esencial para proteger las comunicaciones críticas para las operaciones de empresas y gobiernos.