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npj Quantum Information volume 7, número do artigo: 8 (2021) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A distribuição de chaves quânticas (QKD) de campo duplo (TF) é altamente atraente porque pode superar o limite fundamental da taxa de chave secreta para QKD ponto a ponto sem repetidores quânticos. Muitos estudos teóricos e experimentais mostraram a superioridade do TFQKD na comunicação de longa distância. Todas as implementações experimentais anteriores do TFQKD foram feitas em canais ópticos com perdas simétricas. Mas na realidade, especialmente num ambiente de rede, as distâncias entre os utilizadores e o nó intermédio podem ser muito diferentes. Neste artigo, realizamos uma demonstração experimental de prova de princípio do TFQKD em canais ópticos com perdas assimétricas. Comparamos duas estratégias de compensação, que são (1) aplicar intensidades de sinal assimétricas e (2) adicionar perdas extras, e verificamos que a estratégia (1) fornece taxa chave muito melhor. Além disso, quanto maior a perda, maior será o aumento da taxa básica que ela poderá alcançar. Ao aplicar intensidades de sinal assimétricas, o TFQKD com perdas de canal assimétricas não apenas ultrapassa o limite fundamental da taxa chave de QKD ponto a ponto para perda geral de 50 dB, mas também tem taxa chave tão alta quanto 2,918 × 10-6 para 56 dB geral perda. Considerando que nenhuma chave é obtida com a estratégia (2) para perda de 56 dB. A taxa chave aumentada e a cobertura de distância ampliada do TFQKD com perdas de canal assimétricas garantem sua superioridade em redes quânticas de longa distância.

A distribuição quântica de chaves (QKD) permite que usuários remotos compartilhem chaves secretas com segurança teórica da informação1,2. No entanto, devido às perdas inevitáveis ​​de canais ópticos, existe um limite fundamental na taxa de chave secreta alcançável de QKD de longa distância. Sem usar repetidores quânticos, o limite superior (também chamado de limite sem repetidor neste artigo) da taxa de chave secreta do QKD é dimensionado linearmente com a transmitância do canal η3,4. Notavelmente, um novo tipo de QKD, denominado QKD de campo duplo (TF), foi proposto5 e pode praticamente superar o limite sem repetidor. No TFQKD, como no QKD6 independente de dispositivo de medição (MDI), dois usuários (Alice e Bob) enviam dois estados coerentes para um nó intermediário não confiável, ou seja, Charlie, que realiza a medição. Como o TFQKD emprega interferência de fóton único, em vez de interferência de dois fótons no MDIQKD, a taxa de chave secreta do TFQKD é dimensionada como \(\sqrt{\eta }\), permitindo uma cobertura de distância sem precedentes. Muitas variações e análises de segurança do TFQKD7,8,9,10,11,12 foram estudadas, seguidas por múltiplas demonstrações experimentais13,14,15,16. Mais recentemente, o TFQKD foi implementado com sucesso em mais de 500 km de fibras . Foi demonstrado que o TFQKD é uma das soluções mais promissoras e práticas para QKD de longa distância.

No entanto, todos os estudos acima mencionados consideram apenas o TFQKD sobre canais ópticos com perdas simétricas entre cada um dos usuários e o nó intermediário, e permitem que Alice e Bob usem conjuntos idênticos de operações na preparação de seus sinais. No entanto, esta suposição sobre a simetria do canal raramente é verdadeira na realidade. O TFQKD em canais assimétricos é importante não apenas para implementações práticas ponto a ponto, mas também em um ambiente de rede onde as distâncias ópticas entre os usuários e o nó intermediário podem ser significativamente diferentes. Por exemplo, como mostrado na Fig. 1, se considerarmos uma configuração de loop Sagnac, vários usuários podem ser colocados no mesmo loop, onde compartilham um relé comum, para implementar uma rede TFQKD. No entanto, os usuários no loop naturalmente terão distâncias diferentes do relé, tornando assim os canais assimétricos uma característica importante para tal configuração de rede TFQKD. Problemas semelhantes também existem para redes em forma de estrela, onde os usuários são colocados a distâncias arbitrárias de um relé central.

Vários usuários podem ser colocados no mesmo loop para se comunicarem através de um único relé. Como pode ser visto aqui, pares arbitrários de usuários podem ter distâncias (perdas de canal) muito diferentes do relé, o que necessita de um protocolo TFQKD que mantenha um bom desempenho mesmo na presença de assimetria de canal. Neste trabalho, apresentamos a implementação experimental de um protocolo TFQKD de intensidade assimétrica que mantém alta taxa através de canais assimétricos, demonstrando assim a viabilidade de tal rede TFQKD baseada em loop de Sagnac.