Demonstração de comunicação quântica sobre fibras ópticas superiores a 600 km

8 de junho de 2021

por Toshiba Corporation

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. A descoberta permitirá a transferência de informações de longa distância e 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 EUA, UE e China.

Um dos desafios tecnológicos mais difíceis na construção da internet quântica é o problema de como transmitir bits quânticos por longas fibras ópticas. Pequenas mudanças nas condições ambientais, como flutuações de temperatura, fazem com que as fibras se expandam e se contraiam, 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, introduzindo 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 dos 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 comprimento de onda, com uma precisão de 10s de nanômetros, mesmo após a propagação por 100s de km de fibra. Sem cancelar essas flutuações em tempo real, a fibra se expandiria e contrairia com as mudanças de temperatura, embaralhando a informação quântica.

A primeira aplicação para estabilização de banda dupla será para distribuição de chave quântica (QKD) de longa distância. Os sistemas QKD comerciais 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 o Twin Field QKD em fibras longas e demonstrou o QKD em mais de 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, ainda são possíveis extensões adicionais da distância de comunicação para QKD e nossas soluções também podem ser aplicadas a outros protocolos e aplicações de comunicações quânticas”.

Andrew Shields, chefe da divisão de tecnologia quântica da Toshiba Europe, diz: "O QKD tem sido usado para proteger redes de área metropolitana nos últimos anos. Este último avanço estende o alcance máximo de um link quântico, de modo que é possível conectar cidades países e continentes, sem usar nós intermediários confiáveis. Implementado junto com o Satellite QKD, ele nos permitirá construir uma rede global para comunicações seguras quânticas."

Taro Shimada, vice-presidente sênior corporativo e diretor digital da Toshiba Corporation, reflete: "Com esse sucesso na tecnologia quântica, a Toshiba está disposta a expandir ainda mais seus negócios quânticos com velocidade rápida. Nossa visão é uma plataforma para serviços de tecnologia de informação quântica, que não apenas permitem a comunicação segura em escala global, mas também tecnologias transformacionais, como computação quântica baseada em nuvem e detecção quântica distribuída."

Os detalhes do avanço foram 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.