Dos grupos de investigación independientes han demostrado un protocolo para distribuir claves cifradas cuánticamente mediante un método que seguramente dejará en la oscuridad a los posibles piratas informáticos de la red. El protocolo, denominado distribución de claves cuánticas independientes del dispositivo, se propuso por primera vez hace tres décadas, pero no se había realizado experimentalmente antes debido a limitaciones técnicas, que los investigadores ahora han superado.
La mayoría de las personas utilizan el cifrado con regularidad para garantizar que la información que transfieren a través de Internet (como los datos de la tarjeta de crédito) no caiga en manos equivocadas. Los fundamentos matemáticos del cifrado actual son lo suficientemente sólidos como para que las “claves” cifradas no puedan descifrarse, ni siquiera con las supercomputadoras más rápidas. Sin embargo, este cifrado clásico puede verse amenazado por los futuros ordenadores cuánticos.
Una solución a este problema es la distribución de claves cuánticas (QKD), que utiliza las propiedades cuánticas de los fotones, en lugar de algoritmos matemáticos, como base para el cifrado. Por ejemplo, si un emisor utiliza fotones entrelazados para transmitir una clave a un receptor, cualquier hacker que intente espiar esta comunicación será fácil de detectar porque su intervención perturbará el entrelazamiento. Por lo tanto, QKD permite a las dos partes generar claves secretas y seguras que pueden utilizar para compartir información.
Dispositivos vulnerables
Pero hay un problema. Incluso si la información se envía de forma segura, alguien aún podría obtener conocimiento de la clave pirateando los dispositivos del remitente y/o del receptor. Debido a que QKD generalmente supone que los dispositivos mantienen una calibración perfecta, cualquier desviación puede ser difícil de detectar, lo que los hace propensos a verse comprometidos.
Una alternativa es el QKD independiente del dispositivo (DIQKD), que, como su nombre lo indica, funciona independientemente del estado del dispositivo. DIQKD funciona de la siguiente manera. Dos usuarios, tradicionalmente llamados Alice y Bob, poseen cada uno una partícula de un par entrelazado. Miden las partículas de forma independiente utilizando un estricto conjunto de condiciones experimentales. Estas medidas se dividen en las que se utilizan para generar una clave para el cifrado y las que se utilizan para confirmar el entrelazamiento. Si las partículas se entrelazan, los valores medidos violarán las condiciones conocidas como desigualdades de Bell. Establecer esta infracción garantiza que el proceso de generación de claves no ha sido alterado.
Entrelazamiento de alta fidelidad, baja tasa de error de bits
En la nueva investigación, que se describe en Naturaleza, un equipo internacional de la Universidad de Oxford (Reino Unido), CEA (Francia) y la EPFL, la Universidad de Ginebra y ETH (todas en Suiza) realizaron sus mediciones en un par de iones de estroncio-88 atrapados separados por dos metros. Cuando estos iones se excitan a un estado electrónico superior, se desintegran espontáneamente y emiten un fotón cada uno. Luego se realiza una medición del estado de Bell (BSM) en ambos fotones para entrelazar los iones. Para garantizar que toda la información se mantenga dentro de la configuración, los iones se guían a una ubicación diferente donde se utilizan para realizar el protocolo de medición DIQKD. Después de esto se repite la secuencia.
Durante un período de casi ocho horas, el equipo creó 1.5 millones de pares Bell entrelazados y los utilizó para generar una clave compartida de 95 bits de longitud. Esto fue posible porque la fidelidad del entrelazamiento era alta, del 884%, mientras que la tasa de error de bits cuánticos era baja, del 96%. Mientras tanto, las mediciones de desigualdad de Bell produjeron un valor de 1.44, muy por encima del límite clásico de 2.64, lo que significa que el entrelazamiento no se vio obstaculizado.
En un experimento separado, también descrito en Naturaleza, Investigadores de la Universidad Ludwig-Maximilian (LMU) de Alemania y la Universidad Nacional de Singapur (NUS) utilizaron un par de átomos de rubidio-87 atrapados ópticamente ubicados en laboratorios a 400 metros de distancia y conectados por una fibra óptica de 700 metros de largo. De manera similar al protocolo del otro equipo, los átomos se excitan y los fotones que emiten a medida que decaen hasta su estado fundamental se utilizan para realizar un BSM que entrelaza los dos átomos. Luego, los estados de los átomos se miden ionizándolos a un estado particular. Dado que los átomos ionizados se pierden de la trampa, una medición de fluorescencia para comprobar la presencia del átomo completa el protocolo.
El equipo LMU-NUS repitió esta secuencia 3 veces durante un período de medición de 342 horas, manteniendo una fidelidad de entrelazamiento del 75% y una tasa de error de bits cuánticos del 89.2% en todo momento. La medición de la desigualdad de Bell arrojó un resultado de 7.8, lo que demuestra nuevamente que el entrelazamiento permaneció intacto durante el período de medición.
Ahora hazlo práctico
Para que DIQKD se convierta en un método de cifrado práctico, ambos equipos coinciden en que será necesario aumentar las tasas de generación de claves. También lo harán las distancias entre Alice y Bob. Una forma de optimizar el sistema podría ser utilizar cavidades para mejorar las tasas de recolección de fotones. Otro paso sería paralelizar el proceso de generación de entrelazamiento mediante el uso de matrices de átomos/iones individuales, en lugar de pares. Además, ambos equipos generan fotones en longitudes de onda con elevadas pérdidas en el interior de las fibras ópticas: 422 nm para el estroncio y 780 nm para el rubidio. Esto podría solucionarse mediante la conversión de frecuencia cuántica, que desplaza los fotones a la región del infrarrojo cercano, donde las fibras ópticas utilizadas para las telecomunicaciones presentan pérdidas mucho menores.
Tim van Leent, estudiante de doctorado en LMU y coautor principal del artículo LMU-NUS, señala que las claves que generó el equipo de Oxford-CEA-Suiza eran seguras bajo los llamados supuestos de seguridad de clave finita, lo que él llama "un gran logro". ”. Agrega que el trabajo del otro equipo en la implementación de todos los pasos necesarios en el protocolo QKD sienta un precedente importante, señalando que la calidad de entrelazamiento reportada en este experimento es la más alta hasta ahora entre memorias cuánticas distantes basadas en materia.
Hackean sistema de criptografía cuántica
Nicolas Sangouard, físico del CEA y uno de los investigadores principales del proyecto, dice que los investigadores de LMU-NUS lograron demostrar que los estados entrelazados se pueden distribuir a lo largo de cientos de metros con una calidad que es, en principio, lo suficientemente alta como para realizar el dispositivo. -Distribución de claves cuánticas independientes. Añade que las dificultades que tuvieron que superar sirven como un buen ejemplo de los desafíos que el QKD independiente del dispositivo todavía plantea para las plataformas de redes cuánticas. Extraer una clave de los datos brutos sigue siendo particularmente difícil, añade, ya que el número de repeticiones experimentales no es suficiente para extraer una clave de los resultados de las mediciones.
