Uno dei problemi più ostici da risolvere nel campo della comunicazione quantistica è stato finora la stabilità della trasmissione quando il canale di comunicazione è in movimento o soggetto a variazioni ambientali. Un team congiunto di ricercatori sudcoreani dell'Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI) e del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) ha dimostrato sperimentalmente per la prima volta che è possibile distribuire chiavi crittografiche quantistiche in modo affidabile anche in condizioni dinamiche come quelle che caratterizzano satelliti, droni o navi, senza la necessità di continue ricalibrazìoni dei dispositivi di misura. La scoperta, pubblicata sulle pagine dell'IEEE Journal on Selected Areas in Communications lo scorso giugno, rappresenta un passo significativo verso l'implementazione pratica di reti quantistiche globali.
La distribuzione quantistica di chiavi, nota con l'acronimo QKD (Quantum Key Distribution), sfrutta i principi della meccanica quantistica per creare sistemi crittografici teoricamente inviolabili: qualsiasi tentativo di intercettazione da parte di un estraneo altererebbe inevitabilmente lo stato quantistico dell'informazione trasmessa, rivelandosi immediatamente. Tuttavia, questa tecnologia ha finora mostrato un tallone d'Achille quando applicata in ambienti a spazio libero e in movimento. Le variazioni meteorologiche, i cambiamenti nelle condizioni atmosferiche e le oscillazioni nei canali di trasmissione compromettevano la stabilità della comunicazione, richiedendo continui aggiustamenti dei dispositivi di ricezione.
Il gruppo di ricerca guidato dal professor Bae Jun-woo del KAIST ha sviluppato una teoria innovativa chiamata measurement protection (protezione della misura), che consente di mantenere stabile la distribuzione delle chiavi crittografiche indipendentemente dalle condizioni del canale di trasmissione, utilizzando solamente semplici operazioni locali. Mentre il team di Bae si è concentrato sugli aspetti teorici, i ricercatori dell'ETRI hanno condotto la verifica sperimentale, implementando un sistema di trasmissione a spazio libero su un percorso di dieci metri con perdite fino a 30 decibel, simulando così le condizioni impegnative tipiche delle comunicazioni satellitari o aeree.
L'apparato sperimentale ha utilizzato una sorgente luminosa da 100 megahertz per generare impulsi di singoli fotoni, impiegando un laser a semiconduttore VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser), che emette verticalmente dalla superficie superiore del chip. Per simulare le condizioni reali di trasmissione in spazio libero, sono stati introdotti vari tipi di rumore di polarizzazione, mentre tre lamine d'onda sono state installate sia sul trasmettitore che sul ricevitore per implementare le operazioni locali previste dalla teoria.
I risultati hanno dimostrato che il sistema QKD basato sulla protezione della misura può tollerare un Quantum Bit Error Rate (QBER) fino al 20,7% superiore rispetto ai protocolli convenzionali. In termini pratici, questo significa che è possibile mantenere una distribuzione stabile delle chiavi crittografiche senza alcuna compensazione aggiuntiva finché la percentuale di errore tra i bit quantistici ricevuti rimane al di sotto di questa soglia. Una caratteristica che apre prospettive concrete per comunicazioni satellitari sicure, collegamenti tra droni e stazioni terrestri, o sistemi di comunicazione marittima che finora erano considerati troppo instabili per le applicazioni quantistiche.
Lo studio, che ha visto come co-primi autori la ricercatrice dell'ETRI Haesin Ko e il dottor Spiros Kechrimparis del KAIST, si inserisce in un più ampio programma di ricerca volto a superare gli ostacoli pratici all'implementazione commerciale della crittografia quantistica. Parallelamente, l'ETRI ha presentato anche un metodo sperimentale per compensare il fenomeno delle perdite dipendenti dalla polarizzazione, un problema critico per i sistemi QKD basati su chip integrati, pubblicato come articolo di copertina sulla rivista Advanced Quantum Technologies.
I sistemi QKD integrati su chip fotonici sono considerati la tecnologia di prossima generazione per sostituire i pesanti e costosi sistemi basati su ottiche tradizionali, ma le perdite che si verificano durante l'integrazione dei componenti hanno rappresentato finora un ostacolo importante. I ricercatori hanno dimostrato che tali perdite possono essere compensate con componenti ottici relativamente semplici, mantenendo prestazioni stabili nei sistemi di distribuzione delle chiavi.
Come ha sottolineato Lim Kyong Chun, ricercatore senior della divisione di ricerca sulla comunicazione quantistica dell'ETRI, la ricerca sui chip fotonici integrati è indispensabile per l'espansione del mercato QKD, ma restano ancora numerose sfide tecniche da superare. Youn Chun Ju, vicepresidente assistente della divisione di ricerca sulle tecnologie quantistiche dell'ETRI, ha evidenziato che l'implementazione di sistemi QKD indipendenti dalle variazioni dello stato del canale aumenta significativamente la flessibilità della crittografia quantistica, aprendo la strada verso collegamenti a lunga distanza in spazio libero e ponendo le fondamenta per una rete quantistica globale.
Le prospettive future di questa ricerca includono l'estensione della tecnologia a collegamenti satellitari a lunga distanza e lo sviluppo di dispositivi QKD compatti e leggeri, superando le limitazioni degli attuali sistemi ingombranti. Secondo il professor Bae Jun-woo, questo risultato rappresenta un punto di svolta decisivo per rendere affidabile la comunicazione quantistica sicura anche in ambienti complessi e dinamici, avvicinando concretamente l'obiettivo di reti di comunicazione quantistica operanti su scala planetaria.
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