Investigadores en China han logrado un hito importante en la distribución de clave cuántica (QKD) de espacio a tierra al demostrar un terminal QKD funcional con la mitad de la masa de un sistema anterior. Después de enviar la nueva terminal al espacio para orbitar la Tierra a bordo del laboratorio espacial Tiangong-2, los científicos de Laboratorio Nacional de Hefei y del Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) realizó una serie de 19 experimentos entre el 23 de octubre de 2018 y el 13 de febrero de 2019, transmitiendo con éxito claves cuánticas entre el satélite y cuatro estaciones en tierra en 15 días separados.
Al igual que otros terminales QKD, el dispositivo de este estudio se basa en el comportamiento cuántico de la luz para crear los tipos de claves de cifrado necesarias para proteger los datos. "QKD emplea la unidad fundamental de luz, fotones individuales, para codificar información entre dos usuarios distantes", explica Jian-Wei Pan, físico de la USTC y coautor de un artículo sobre la investigación en óptica. “Por ejemplo, el transmisor puede codificar aleatoriamente información sobre los estados de polarización de los fotones, como horizontal, vertical, lineal +45° o lineal –45°. En el receptor, se puede realizar una decodificación de estado de polarización similar y se pueden obtener las claves sin procesar. Después de la corrección de errores y la amplificación de la privacidad, se pueden extraer las claves seguras finales”.
Seguridad preparada para el futuro
El nuevo terminal QKD reducido es una buena noticia para los usuarios con altos requisitos de seguridad. Aunque la criptografía de clave pública tradicional es actualmente uno de los mejores medios de encriptación, se basa en el hecho de que las computadoras clásicas simplemente no pueden resolver ciertos problemas en un tiempo razonable. Sin embargo, estas funciones matemáticas intratables solo funcionan si el hacker está usando una computadora clásica. Como señala Pan, una computadora cuántica en el futuro simplemente podría usar el algoritmo de Shor para descifrar incluso los mejores métodos criptográficos actuales.
Si las computadoras cuánticas pueden descifrar el cifrado clásico, una posible solución sería usar el cifrado cuántico en su lugar, cuando corresponda. “QKD proporciona una solución de información segura para el problema del intercambio de claves”, dice Pan. “El teorema cuántico de no clonación dicta que un estado cuántico desconocido no se puede clonar de forma fiable. Si el intruso intenta espiar en QKD, inevitablemente introduce perturbaciones en las señales cuánticas, que luego serán detectadas por los usuarios de QKD”.
Pablo Kwiat, un físico de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, EE. UU., que no participó en la investigación, agrega que cualquier ataque a QKD debe realizarse en el momento de la transmisión. “En este sentido, QKD a veces se describe como 'a prueba de futuro': no importa qué poder de cómputo desarrolle un adversario dentro de 10 años (lo que sería importante para la criptografía de clave pública); todo lo que importa son las capacidades que tiene un intruso cuando la clave cuántica se distribuye inicialmente”, dice Kwiat, quien lidera la división de comunicaciones cuánticas at Q-SIGUIENTE, un consorcio de investigación centrado en los desafíos de la información cuántica.
Limitación de luz diurna
Si bien el trabajo anterior de QKD se realizó con un dispositivo diferente en el satélite Micius, en el último estudio los investigadores pudieron reducir la masa de la terminal al integrar la carga útil de QKD con otros sistemas como la electrónica de control, la óptica y los telescopios. Este es un gran paso adelante, pero los miembros del equipo Hefei-USTC no han terminado. Un desafío que mencionan en su documento es que actualmente no pueden operar la terminal durante el día. Esto se debe a que la dispersión de la luz solar crea un ruido de fondo de cinco a seis órdenes de magnitud mayor que el que se ve en los experimentos realizados de noche. Dicho esto, Pan y sus colegas están trabajando en tecnologías como la optimización de la longitud de onda, el filtrado espectral y el filtrado espacial para permitir el funcionamiento QKD a la luz del día.
QKD independiente del dispositivo acerca la Internet cuántica inhackeable
Pan afirma que el equipo tiene grandes planes, que con suerte culminarán en la creación de una red cuántica global integrada por satélite y tierra que pueda brindar servicios a usuarios de todo el mundo. Tras el éxito de este trabajo, el equipo comenzará a construir una constelación de satélites cuánticos compuesta por varios satélites de órbita baja, un satélite de órbita media a alta y las redes QKD de fibra terrestre. “Creemos que nuestro trabajo contribuirá a un área atractiva de investigación sobre cómo construir la constelación de satélites óptima”, dice Pan.
