Logran enviar claves cuánticas inhackeables a través de 120 kilómetros

Investigadores de Alemania y China lograron un avance significativo en la comunicación cuántica ultra segura al demostrar un sistema de encriptación cuántica notablemente estable. Este sistema funcionó a través de más de 120 kilómetros de fibra óptica, utilizando diminutos puntos cuánticos semiconductores que emiten partículas de luz de manera controlada. El equipo alcanzó una de las tasas de claves seguras más altas para esta tecnología, manteniendo una operación continua durante más de seis horas sin necesidad de ajustes manuales.

La distribución de claves cuánticas (QKD) es considerada la forma más avanzada de criptografía cuántica, ofreciendo un camino hacia una seguridad prácticamente irrompible para el futuro de Internet cuántico. Una de las tecnologías prometedoras detrás de estos sistemas seguros involucra puntos cuánticos semiconductores (SQDs), que son pequeñas fuentes de luz sólidas capaces de generar fotones individuales de alta calidad para la comunicación cuántica. Estos dispositivos podrían ayudar a aumentar las tasas de generación de claves seguras y también apoyar futuros repetidores cuánticos necesarios para redes cuánticas a gran escala.

Otro desarrollo importante es la codificación por intervalos de tiempo, una técnica que almacena información en los tiempos de llegada de los fotones. Este método es especialmente atractivo para la comunicación cuántica a larga distancia, ya que es naturalmente resistente a muchas de las perturbaciones ambientales que pueden interrumpir las redes de fibra óptica.

Estabilidad Cuántica a Través de 120 Kilómetros

El equipo internacional demostró el primer verdadero sistema de QKD basado en intervalos de tiempo, impulsado por un dispositivo de punto cuántico semiconductor de telecomunicaciones a demanda. Los resultados se publicaron como portada en la revista Light: Science & Applications.

En el experimento, los científicos generaron tres estados de qubit de intervalos de tiempo de forma determinista y aleatoria utilizando un codificador de intervalos de tiempo autoestabilizado. La configuración convierte fotones individuales polarizados producidos por un punto cuántico en el rango de telecomunicaciones en señales cuánticas codificadas. En el extremo receptor, los qubits fotónicos se decodificaron con un interferómetro estabilizado activamente que contenía un cambiador de fase, lo que permitió que el sistema funcionara durante períodos prolongados sin ajustes manuales.

Los investigadores lograron transmitir las señales cuánticas a través de un enlace de fibra óptica que abarcó más de 120 kilómetros entre el codificador y el decodificador. El sistema mantuvo una estabilidad impresionante durante más de seis horas de operación continua.

Tasas Altas de Claves Seguras con Puntos Cuánticos

El experimento de prueba de concepto alcanzó la tasa de claves seguras más alta reportada hasta ahora para un sistema de QKD basado en intervalos de tiempo, utilizando un dispositivo de punto cuántico de alto rendimiento. La fuente de puntos cuánticos produjo fotones individuales brillantes y de alta pureza a una tasa de funcionamiento de aproximadamente 76 MHz.

Aun después de viajar a través de 120 kilómetros de fibra óptica estándar, el sistema mantuvo tasas de error de qubit cuántico promedio por debajo del 11%. Bajo condiciones prácticas de clave finita, la configuración mantuvo una tasa de clave segura promedio de aproximadamente 15 bits/s, un nivel considerado adecuado para aplicaciones de mensajería de texto cifrada en el mundo real.

Los investigadores enfatizaron la importancia de este avance:

"Los puntos cuánticos en banda de telecomunicaciones con mejora de Purcell pueden proporcionar fotones de alta luminosidad adecuados para la comunicación de fibra interurbana, convirtiéndolos en candidatos prometedores para su integración en sistemas prácticos de QKD".

Codificación por Intervalos de Tiempo Mejora la Estabilidad Real

El equipo también destacó las ventajas de la codificación por intervalos de tiempo en comparación con muchos sistemas de QKD basados en puntos cuánticos existentes, que pueden ser altamente sensibles a las perturbaciones ambientales.

"La mayoría de los sistemas de QKD basados en puntos cuánticos existentes son vulnerables a los cambios en el canal cuántico práctico causados por factores ambientales, como turbulencias, temperatura y vibraciones. Esto requiere compensaciones activas. En contraste, la codificación por intervalos de tiempo, donde los qubits se codifican en la posición temporal de los fotones individuales, ofrece estabilidad intrínseca contra tales fluctuaciones de canal, incluso sin protocolos de compensación complejos".

Según los científicos, el largo tiempo de funcionamiento ininterrumpido del sistema demuestra la robustez del enfoque.

"El sistema funcionó de manera continua durante 6 horas, destacando la robustez intrínseca del esquema de intervalos de tiempo habilitado por el sistema, incluyendo el interferómetro de Sagnac, control de retroalimentación activa, etc."

Los investigadores indicaron que este trabajo marca un paso importante hacia sistemas de comunicación cuántica prácticos y escalables que eventualmente podrían apoyar redes cuánticas seguras en entornos del mundo real.

"Este resultado subraya la viabilidad de integrar fuentes de fotones individuales de puntos cuánticos en sistemas de QKD de intervalos de tiempo estables y desplegables en campo, marcando un paso importante hacia redes de comunicación cuántica seguras y escalables basadas en emisores de fotones individuales de estado sólido".

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