As comunicações quânticas progrediram rapidamente em direção a redes práticas e de grande escala baseadas em distribuições de chaves quânticas que lideram o processo. Os sistemas de distribuição de chaves quânticas normalmente incluem um remetente “Alice”, um receptor “Bob”, que gera um segredo compartilhado a partir de medições quânticas para comunicação segura. Embora os sistemas baseados em fibra sejam adequados para a escala metropolitana, nem sempre existe uma infraestrutura de fibra adequada.

Em um novo relatório na npj Quantum Information , Andrej Krži e uma equipe de cientistas desenvolveram uma rede quântica de espaço livre baseada em emaranhamento . A plataforma ofereceu uma alternativa prática e eficiente para aplicações metropolitanas. A equipe introduziu um sistema de distribuição de chaves quânticas em espaço livre para demonstrar seu uso em aplicações realistas, em antecipação ao trabalho para estabelecer redes de espaço livre como uma solução viável para aplicações metropolitanas na futura Internet quântica global.

A comunicação quântica normalmente visa distribuir informações quânticas entre duas ou mais partes . Uma série de aplicações revolucionárias de redes quânticas forneceram um roteiro para a engenharia de uma Internet quântica completa . A invenção proposta fornece uma rede heterogênea de sub-redes para fins especiais com diversos links e interconexões. O conceito de redes quânticas de distribuição de chaves impulsionou este desenvolvimento para abrir caminho para outros métodos distribuídos de processamento de informações quânticas para avaliar a maturidade tecnológica das redes quânticas em geral.

Neste trabalho, Krži e colegas descreveram uma arquitetura de rede metropolitana de espaço livre para proteger as comunicações em cimeiras, conferências e outros eventos, com a capacidade adicional de complementar uma infraestrutura de rede já existente na ausência de ligações de fibra de ponta a ponta. Os físicos quânticos construíram a arquitetura em torno de um servidor central de emaranhamento para transmitir os fótons emaranhados aos usuários da rede.

Eles construíram os principais blocos de construção dessa arquitetura, incluindo uma fonte de pares de fótons emaranhados portátil e de alta visibilidade, adequada para aplicações metropolitanas, com filtragem dedicada para funções diurnas. Os físicos realizaram experimentos de distribuição de chaves quânticas em cenários realistas ao longo de 1,7 km com segurança quântica para mostrar a capacidade de atingir taxas recordes de quilobytes por segundo à noite e em plena luz do dia.

Os pesquisadores desenvolveram uma arquitetura de rede em que uma fonte de fótons emaranhada facilitou ao servidor transmitir o emaranhamento em uma rede em escala metropolitana construída a partir de links de espaço livre. Os cientistas optaram por colocar o servidor de emaranhamento em um prédio central.

Cada usuário possuía um subsistema receptor quântico para detectar a anatomia de um estado quântico, e a equipe prontamente estendeu o tamanho da rede introduzindo vários servidores de emaranhamento interconectados por meio de um modo confiável central para distribuir o emaranhamento aos usuários. Os físicos esperam que os servidores de emaranhamento funcionem como uma interface conveniente para conectar uma rede metropolitana de espaço livre ao backbone de fibra de uma rede intermunicipal maior .

Krži e sua equipe desenvolveram um sistema de comunicação quântica específico para aplicações metropolitanas que consistia nas principais unidades de construção necessárias para implementar uma rede quântica de espaço livre em um novo local em menos de um dia. A plataforma não necessitava de infraestrutura prévia, além do acesso à energia elétrica. O sistema se assemelhava ao segmento Alice-Bob da rede, onde os servidores de emaranhamento geravam pares de fótons emaranhados por polarização em 810 nm: um foi enviado para Alice por meio de uma fibra monomodo, enquanto Bob recebeu o outro usando um link de espaço livre. .

O sistema de estabilização em circuito fechado facilitou a funcionalidade a longo prazo, onde tanto Bob quanto Alice possuíam um subsistema receptor quântico . A versão de Bob tinha módulos de filtragem espectral e espacial especialmente projetados para funcionar à luz do dia, enquanto a versão de Alice não exigia filtragem dedicada do ruído da luz do dia. A equipe realizou um canal clássico entre o subsistema receptor quântico de Alice e Bob com antenas de rádio comerciais.

Os engenheiros quânticos usaram o sistema para estabelecer uma ligação quântica entre um local em Jena, na Alemanha, e a localização de um contêiner temporário no topo de um edifício de serviço público a 1,7 km de distância. Eles avaliaram o desempenho do sistema em relação à taxa de erro quântico de bits e à taxa de chave segura alcançável para dois experimentos noturnos e diurnos com ruído de fundo contrastantemente mais alto . Os cientistas separaram as taxas de contagem detectadas por Bob em contribuições de sinal e ruído de fundo, incluindo radiação solar medida por uma estação meteorológica.

A equipe realizou um experimento noturno em 2 de março de 2022 para demonstrar um desempenho estável com uma taxa de erro quântico de bits inferior a 2% para uma taxa de chave segura média de 5,4 Kbps durante várias horas. O desempenho do sistema variou ainda mais; por exemplo, quando a equipe expôs o link à luz solar direta, as taxas de ruído detectadas atingiram valores superiores a 400 quilocontas de fótons por segundo (kcps). Nas horas seguintes, à medida que pequenas nuvens cruzavam o sol, o ruído de fundo foi reduzido para restaurar o desempenho da plataforma, consequentemente, variou em consequência direta da luz solar.

A equipe simulou um cenário para avaliar o desempenho de dois links independentes de espaço livre dos servidores de emaranhamento para Alice e Bob. À noite, eles observaram uma taxa de chave segura de mais de 1,1 kbps. Quando a equipe implantou esse sistema em julho de 2021, eles estabeleceram um link de distribuição de chaves quânticas em espaço livre entre dois escritórios localizados a 300 m de distância um do outro em Bonn, Alemanha, para atingir taxas de chave semelhantes durante a noite e o dia.

Desta forma, Andrej Krži? e a equipe desenvolveram uma arquitetura de rede quântica de espaço livre baseada em emaranhamento como uma solução viável para escalas metropolitanas. Eles alcançaram taxas seguras de até 5,7 kbps sob condições variadas para indicar sua capacidade de funcionar 24 horas por dia, 7 dias por semana, para facilitar a cobertura total de uma cidade.

Eles exploraram ainda mais o emaranhamento de alta dimensão para facilitar maior capacidade de informação por fóton com melhor segurança e maior robustez ao ruído. A distribuição do emaranhamento está no centro de múltiplas aplicações além da distribuição quântica de chaves, incluindo sincronização de relógio quântico e criptografia quântica .