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npj Quantum Information volume 7, numero articolo: 8 (2021) Citare questo articolo

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La distribuzione di chiavi quantistiche (QKD) a campo gemello (TF) è molto interessante perché può superare il limite fondamentale del tasso di chiavi segrete per QKD punto a punto senza ripetitori quantistici. Molti studi teorici e sperimentali hanno dimostrato la superiorità del TFQKD nella comunicazione a lunga distanza. Tutte le precedenti implementazioni sperimentali di TFQKD sono state eseguite su canali ottici con perdite simmetriche. Ma in realtà, soprattutto in un contesto di rete, le distanze tra gli utenti e il nodo centrale potrebbero essere molto diverse. In questo articolo, eseguiamo una dimostrazione sperimentale di prova di principio di TFQKD su canali ottici con perdite asimmetriche. Confrontiamo due strategie di compensazione, che sono (1) l'applicazione di intensità di segnale asimmetriche e (2) l'aggiunta di perdite extra, e verifichiamo che la strategia (1) fornisce un tasso chiave molto migliore. Inoltre, maggiore è la perdita, maggiore è il miglioramento del tasso di riferimento che si può ottenere. Applicando intensità di segnale asimmetriche, TFQKD con perdite di canale asimmetriche non solo supera il limite fondamentale del tasso chiave di QKD punto a punto per una perdita complessiva di 50 dB, ma ha anche un tasso chiave fino a 2,918 × 10−6 per 56 dB complessivi perdita. Mentre con la strategia (2) per una perdita di 56 dB non si ottengono chiavi. L'aumento del key rate e la maggiore copertura della distanza di TFQKD con perdite di canale asimmetriche garantiscono la sua superiorità nelle reti quantistiche a lunga distanza.

La distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) consente agli utenti remoti di condividere chiavi segrete con sicurezza basata sulla teoria dell'informazione1,2. Tuttavia, a causa delle inevitabili perdite di canali ottici, esiste un limite fondamentale al tasso di chiavi segrete ottenibili per la QKD a lunga distanza. Senza utilizzare ripetitori quantistici, il limite superiore (chiamato anche limite senza ripetitore in questo articolo) della velocità della chiave segreta di QKD scala linearmente con la trasmittanza del canale η3,4. Sorprendentemente, è stato proposto5 un nuovo tipo di QKD, chiamato QKD a campo doppio (TF), che può praticamente superare il limite senza ripetitore. In TFQKD, come nel QKD6 indipendente dal dispositivo di misurazione (MDI), due utenti (Alice e Bob) inviano due stati coerenti a un nodo intermedio non affidabile, ovvero Charlie, che esegue la misurazione. Poiché TFQKD utilizza l'interferenza di un singolo fotone, anziché l'interferenza di due fotoni in MDIQKD, il tasso di chiave segreta di TFQKD scala come \(\sqrt{\eta }\), consentendo una copertura della distanza senza precedenti. Sono state studiate numerose variazioni e analisi di sicurezza di TFQKD7,8,9,10,11,12, seguite da molteplici dimostrazioni sperimentali13,14,15,16. Più recentemente, TFQKD è stato implementato con successo su più di 500 km di fibre17,18. È stato dimostrato che TFQKD è una delle soluzioni più promettenti e pratiche per la QKD a lunga distanza.

Tuttavia, tutti gli studi sopra menzionati considerano solo TFQKD su canali ottici con perdite simmetriche tra ciascuno degli utenti e il nodo intermedio e consentono ad Alice e Bob di utilizzare insiemi identici di operazioni nella preparazione dei loro segnali. Tuttavia, questa ipotesi sulla simmetria dei canali è raramente vera nella realtà. TFQKD su canali asimmetrici è importante non solo per implementazioni pratiche punto-punto, ma anche in un ambiente di rete in cui le distanze ottiche tra gli utenti e il nodo centrale possono essere significativamente diverse. Ad esempio, come mostrato in Fig. 1, se consideriamo una configurazione a circuito di Sagnac, più utenti possono essere posizionati sullo stesso circuito, dove condividono un relè comune, per implementare una rete TFQKD. Tuttavia, gli utenti sul circuito avranno naturalmente distanze diverse dal relè, rendendo così i canali asimmetrici una caratteristica importante per una tale configurazione di rete TFQKD. Problemi simili esistono anche per le reti a forma di stella in cui gli utenti sono posti a distanze arbitrarie da un relè centrale.

È possibile posizionare più utenti sullo stesso loop per comunicare tramite un singolo relè. Come si può vedere qui, coppie arbitrarie di utenti possono avere distanze molto diverse (perdite di canale) dal relè, il che richiede un protocollo TFQKD che mantenga buone prestazioni anche in presenza di asimmetria di canale. In questo lavoro, presentiamo l'implementazione sperimentale di un protocollo TFQKD ad intensità asimmetrica che mantiene un'elevata velocità attraverso canali asimmetrici, dimostrando così la fattibilità di tale rete TFQKD basata su Sagnac-loop.