O Cambridge Research Laboratory da Toshiba Europe anunciou hoje a primeira demonstração de comunicação quântica em fibras ópticas com mais de 600 km de comprimento. O avanço permitirá longa distância, transferência de informações com segurança quântica entre áreas metropolitanas, e é um grande avanço para a construção da futura internet quântica.

O termo internet quântica descreve uma rede global de computadores quânticos conectados por links de comunicação quântica de longa distância. Espera-se que permita a solução ultrarrápida de problemas complexos de otimização na nuvem, um sistema de cronometragem global mais preciso e comunicações altamente seguras em todo o mundo. Várias grandes iniciativas governamentais para construir uma internet quântica foram anunciadas, por exemplo, nos E.U.A., EU. e China.

Um dos desafios tecnológicos mais difíceis na construção da internet quântica, é o problema de como transmitir bits quânticos em longas fibras ópticas. Pequenas mudanças nas condições ambientais, como flutuações de temperatura, fazer com que as fibras se expandam e contraiam, assim embaralhando os qubits frágeis, que são codificados como um atraso de fase de um pulso óptico fraco na fibra.

Agora, A Toshiba demonstrou distâncias recordes para comunicações quânticas ao apresentar uma nova técnica de estabilização de 'banda dupla'. Isso envia dois sinais de referência óptica em diferentes comprimentos de onda para minimizar as flutuações de fase em fibras longas. O primeiro comprimento de onda é usado para cancelar as flutuações que variam rapidamente, enquanto o segundo comprimento de onda, no mesmo comprimento de onda que os qubits ópticos, é usado para ajuste fino da fase. Depois de implantar essas novas técnicas, A Toshiba descobriu que é possível manter a fase óptica de um sinal quântico constante em uma fração de um comprimento de onda, com uma precisão de 10s de nanômetros, mesmo após propagação por 100s de km de fibra. Sem cancelar essas flutuações em tempo real, a fibra se expandiria e se contrairia com as mudanças de temperatura, embaralhar as informações quânticas.

A primeira aplicação para estabilização de banda dupla será para distribuição de chaves quânticas de longa distância (QKD). Os sistemas comerciais QKD são limitados a cerca de 100-200 km de fibra. Em 2018, A Toshiba propôs o protocolo Twin Field QKD como uma forma de estender a distância, e testou sua resiliência à perda óptica usando fibras curtas e atenuadores. Ao introduzir a técnica de estabilização de banda dupla, A Toshiba agora implementou Twin Field QKD em fibras longas e demonstrou QKD em 600 km, pela primeira vez.

"Este é um resultado muito emocionante, "comenta Mirko Pittaluga, primeiro autor do artigo que descreve os resultados. "Com as novas técnicas que desenvolvemos, extensões adicionais da distância de comunicação para QKD ainda são possíveis e nossas soluções também podem ser aplicadas a outros protocolos e aplicações de comunicações quânticas. "

Andrew Shields, chefe da Divisão de Tecnologia Quantum da Toshiba Europa, diz, "O QKD tem sido usado para proteger redes de áreas metropolitanas nos últimos anos. Este último avanço estende a extensão máxima de um link quântico, para que seja possível conectar cidades entre países e continentes, sem usar nós intermediários confiáveis. Implementado junto com o Satellite QKD, isso nos permitirá construir uma rede global para comunicações seguras quânticas. "

Taro Shimada, o vice-presidente sênior corporativo e diretor digital da Toshiba Corporation reflete, "Com este sucesso na Tecnologia Quantum, A Toshiba está disposta a expandir ainda mais seus negócios quânticos com velocidade rápida. Nossa visão é uma plataforma para serviços de tecnologia da informação quântica, que não só permitirá a comunicação segura em escala global, mas também tecnologias transformacionais, como computação quântica baseada em nuvem e sensoriamento quântico distribuído. "

Os detalhes do avanço são publicados hoje na revista científica, Nature Photonics . O trabalho foi parcialmente financiado pela UE através do projeto H2020, OpenQKD. A equipe agora está projetando as soluções propostas para simplificar sua futura adoção e implantação.

Este último desenvolvimento segue o anúncio no ano passado de que a BT e a Toshiba instalaram a primeira rede quântica segura do Reino Unido. Transmitindo dados entre o National Composites Center (NCC) e o Center for Modeling &Simulation (CFMS), A compatibilidade de multiplexação da Toshiba permite que os dados e as chaves quânticas sejam transmitidos na mesma fibra, eliminando a necessidade de infraestrutura dispendiosa e dedicada para distribuição de chaves. A chegada combinada de QKD multiplexado usando a infraestrutura existente para distâncias mais curtas, ao lado do Twin Field QKD para distâncias mais longas, abre o caminho para uma rede quântica segura globalmente viável comercialmente.

O QKD permite que os usuários troquem informações confidenciais com segurança (como extratos bancários, registros de saúde, chamadas privadas) em um canal de comunicação não confiável (como a Internet). Ele faz isso distribuindo aos usuários pretendidos uma chave secreta comum que pode ser usada para criptografar, e assim proteger, as informações trocadas no canal de comunicação. A segurança da chave secreta repousa sobre as propriedades fundamentais dos sistemas quânticos individuais (fótons, as partículas de luz) que são codificadas e transmitidas para a geração da chave. No caso de esses fótons serem interceptados por um usuário não designado, a física quântica garante que os usuários pretendidos podem perceber a escuta, e, conseqüentemente, proteger a comunicação.

Ao contrário de outras soluções de segurança existentes, a segurança da criptografia quântica deriva diretamente das leis da física que usamos para descrever o mundo que nos rodeia, e por este motivo, é seguro contra quaisquer avanços futuros em matemática e computação (incluindo o advento de computadores quânticos). Diante disso, Espera-se que o QKD se torne uma ferramenta essencial para proteger as comunicações de operação crítica para empresas e governos.