Una serie de demostraciones facilitan considerablemente los requisitos para implementar protocolos de criptografía cuántica a grandes distancias
Marco Avesani-Departamento de Ingeniería de la Información, Universidad de Padua, Italia
La transmisión segura de datos es esencial en nuestra sociedad interconectada, pero está constantemente en riesgo ya que los atacantes siguen buscando vulnerabilidades y nuevos métodos para descifrar nuestros mensajes. La aparición de las computadoras cuánticas se suma al problema, ya que tienen el potencial de romper los métodos de encriptación actuales. La distribución de claves cuánticas (QKD), una técnica de criptografía que explota las leyes peculiares de la mecánica cuántica, ofrece una respuesta a estas amenazas. En QKD, dos usuarios remotos (Alice y Bob) explotan fotones individuales para generar e intercambiar claves criptográficas con perfecta seguridad, ya que la actividad de cualquier intruso se detectaría a través de los cambios en los estados cuánticos de los fotones. Sin embargo, las pérdidas de fotones limitan la velocidad y la distancia a la que se puede transmitir una clave QKD, lo que representa una barrera para las aplicaciones. Algunos protocolos demostrados recientemente pueden, en principio, superar estas limitaciones, pero al precio de configuraciones complicadas poco prácticas. Una serie de estudios, realizados por los equipos independientes de Zhiliang Yuan de la Academia de Información Cuántica de Beijing y Jan-Wei Pan de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China ahora muestra la posibilidad de simplificaciones de configuración dramáticas, eliminando la necesidad de complejas «fases». -bloqueo” esquemas [1-3 ] . _ La solución del equipo de Yuan, en particular, elimina la necesidad de rastrear incluso la fase de los láseres usados. También logra una transmisión de clave segura de hasta 500 km a velocidades de órdenes de magnitud mayores que las demostraciones anteriores, acercándose a valores de interés práctico [ 1 ]. Juntos, estos avances son un buen augurio para la transformación de QKD en una tecnología comercial ampliamente disponible.
QKD, posiblemente la más madura entre las tecnologías cuánticas, funciona mediante el intercambio de fotones entre dos usuarios a través de fibras ópticas o enlaces de espacio libre. Entre sus mayores enemigos se encuentran las pérdidas de fotones, debido a la dispersión y la absorción, que establecen la distancia operativa máxima sobre la cual las señales no son superadas por el ruido. Por desgracia, a día de hoy no hay forma de superar estas pérdidas mediante la regeneración de señales: los amplificadores ópticos como los que se utilizan en las redes clásicas corromperían las señales cuánticas, mientras que los repetidores cuánticos no estarán disponibles en el corto plazo. Los enlaces QKD punto a punto a través de fibras ópticas han alcanzado hasta 421 km (consulte Punto de vista: distancia récord para criptografía cuántica ), pero tienen tasas de transmisión de clave segura poco prácticas [ 4 ].
En 2017, los investigadores derivaron un límite superior fundamental para la transmisión de tasa de clave de un esquema QKD punto a punto sin repetidores (conocido como límite «PLOB» por las iniciales de los autores del artículo) [5 ] . Sin embargo, desde entonces, los investigadores han propuesto protocolos QKD alternativos que ofrecen mejoras tanto en seguridad como en alcance sin utilizar repetidores. Uno de estos protocolos, llamado QKD independiente del dispositivo de medición (MDI-QKD), implica que Alice y Bob transmitan fotones a un intermediario no confiable (Charlie) [ 6 ].
El uso de este intermediario implica que MDI-QKD puede, en principio, eludir el límite de PLOB. Pero un desafío experimental ha impedido hasta ahora tal hazaña. Específicamente, MDI-QKD se basa en medir una interferencia de dos fotones entre los fotones enviados por Alice y Bob y que llegan a los detectores de Charlie en coincidencia. Las pérdidas de fotones y otros efectos pueden hacer que tales detecciones coincidentes sean poco probables, lo que reduce la tasa de transmisión de la clave segura. Para abordar este desafío, los investigadores propusieron QKD de campo doble (TF-QKD) en 2018 [ 7]. En TF-QKD, Alice y Bob transmiten campos ópticos idénticos a Charlie, quien mide la interferencia de los campos en lugar de la de los fotones individuales, eliminando la necesidad de la coincidencia de fotones. Varias implementaciones experimentales de fibra óptica de TF-QKD han eludido el límite de PLOB, alcanzando 600 km en 2021 [ 8 ] y 1000 km en marzo de este año [ 9]. Sin embargo, TF-QKD requiere que los campos generados por las dos fuentes de luz independientes y distantes sean completamente idénticos en todos los aspectos, incluida su longitud de onda y la fase que adquieren los campos después de la propagación en la fibra. Este bloqueo de la «fase global» del sistema solo se puede lograr con hardware y protocolos complejos que dificultan la aplicabilidad en la mayoría de los escenarios del mundo real. Este bloqueo de fase generalmente requiere la difusión de una frecuencia óptica común a largas distancias. A principios de este año apareció una solución para eliminar este requisito, basada en el seguimiento de la fase mediante peines de frecuencia óptica [ 10 ]. Sin embargo, la incorporación de peines de frecuencia aún introduce complejidades significativas en el esquema.
En 2022, dos equipos independientes propusieron abordar este problema con un nuevo enfoque, llamado emparejamiento posterior a la medición QKD (PMP-QKD) [ 11 , 12 ], que combina lo mejor de los mundos MDI y TF-QKD. El protocolo es similar a MDI-QKD pero alivia las demandas de coincidencia de fotones. En MDI-QKD estándar, los fotones solo se pueden utilizar si llegan en dos intervalos de tiempo adyacentes. En PMP-QKD, Alice y Bob pueden «emparejar» sus fotones después de la detección, siempre que dichos fotones lleguen dentro de una llamada «ventana de emparejamiento», cuyo ancho está determinado por las fluctuaciones de fase inducidas por la fibra y por la velocidad a la que el las fases de los dos láseres divergen (Fig. 1 ). Si esta ventana de emparejamiento es lo suficientemente larga, la cantidad de fotones utilizables es mayor que la establecida por el límite PLOB.
El equipo de Yuan [ 1 ] y el equipo de Pan [ 2] demostró este protocolo PMP experimentalmente. Ambos grupos utilizaron una configuración MDI-QKD convencional con dos láseres independientes, una estación de medición central (Charlie) y ningún mecanismo de bloqueo de fase. El truco clave fue asegurar una diferencia estable y predecible en las longitudes de onda de los dos láseres independientes, aumentando su estabilidad relativa y, por lo tanto, el ancho de la ventana de emparejamiento. Los equipos explotan diferentes tecnologías láser. Pan y sus colegas emplean láseres comerciales con un ancho de línea estrecho (alrededor de 2 kHz). Luego intercalan las secuencias de fotones utilizadas para la comunicación cuántica con pulsos de referencia brillantes (clásicos) utilizados para estimar la diferencia de longitud de onda. En otras palabras, el equipo eliminó la necesidad de «bloquear» las fases del láser pero «seguió» la fase a través de los pulsos de referencia. Yuan y sus colegas fueron un paso más allá.
El equipo de Pan demostró una mejora de PMP de hasta 407 km de fibras ópticas, pero no superó el límite de PLOB. El grupo de Yuan, por otro lado, superó claramente el límite de PLOB en distancias de 413 y 508 km, con tasas de alrededor de 509 y 42 bits/s, respectivamente (Fig. 2 ) . La velocidad de 5 kbit/s que lograron a 306 km, un récord mundial a esta distancia, sería suficiente para habilitar el cifrado QKD en tiempo real de las comunicaciones de voz con una técnica segura conocida como one-time pad.
El enfoque PMP tiene potencial para una aplicabilidad más amplia a otros protocolos, como se muestra en un estudio reciente realizado por el grupo de Pan [ 3 ]. El equipo aplicó un mecanismo de seguimiento y estimación de fase similar con pulsos de referencia brillantes a un esquema TF-QKD. Usando láseres de ancho de línea de 5 kHz disponibles comercialmente y fibra estándar, superaron el límite de PLOB en 504 km sin requerir bloqueo de fase global o compensación de fase activa en el receptor.
Los nuevos resultados muestran que existe un gran potencial para que QKD se vuelva más práctico. Es de esperar que haya un rápido progreso en varios frentes, incluidos protocolos y dispositivos más simples, menos costosos y más eficientes, lo que podría aumentar drásticamente el atractivo de QKD para las aplicaciones del mundo real.
Referencias
L.Zhou et al. , «La comunicación cuántica experimental supera el límite de pérdida de velocidad sin seguimiento de fase global», Phys. Rev. Lett. 130 , 250801 (2023) .
H.-T. Zhu et al. , «Distribución de clave cuántica independiente del dispositivo de medición de emparejamiento de modo experimental sin bloqueo de fase global», Phys. Rev. Lett. 130 , 030801 (2023) .
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Li et al. , «Distribución de clave cuántica de campo doble sin bloqueo de fase», Phys. Rev. Lett. 130 , 250802 (2023) .
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Boarón et al. , «Distribución segura de claves cuánticas en 421 km de fibra óptica», Phys. Rev. Lett. 121 , 190502 (2018) .
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Pirandola et al. , «Límites fundamentales de las comunicaciones cuánticas sin repetidores», Nat. común 8 , 15043 (2017) .
H.-K. Lo et al. , «Distribución de clave cuántica independiente del dispositivo de medición», Phys. Rev. Lett. 108 , 130503 (2012) .
M.Lucamarini et al. , «Superación del límite de velocidad y distancia de la distribución de clave cuántica sin repetidores cuánticos», Nature 557 , 400 (2018) .
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Pittaluga et al. , “Comunicaciones cuánticas de tipo repetidor de 600 km con estabilización de doble banda”, Nat. Fotón. 15 , 530 (2021) .
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Liu et al. , «Distribución de clave cuántica de campo gemelo experimental en una distancia de fibra de 1000 km», Phys. Rev. Lett. 130 , 210801 (2023) .
