En general, existen dos métodos diferentes de QKD para generar una clave secreta, cada uno poniendo énfasis en diferentes características cuánticas de la luz. Como resultado, ambos tienen diferentes desempeños y aplicaciones. Conozca las diferencias básicas y las aplicaciones de estos dos tipos de tecnologías QKD.
[Artículo de investigación] Elisabeth Llanos, estudiante de doctorado en LuxQuanta, coescribió un artículo de investigación junto con Pol Adillon, otro estudiante de doctorado. El trabajo, aceptado en la prestigiosa Conferencia OFC, estudia la eficacia del Filtro de Savitzky-Golay en la reducción del Ruido de Fase en CV-QKD. Los resultados son prometedores para aumentar las distancias máximas alcanzables.
[Artículo de investigación] ¡CV-QKD coexiste con tráfico de datos DWDM de capacidad total en banda C, sin desplazar canales a otras bandas! Un artículo de investigación en colaboración con Telefónica y el Centre Tecnològic de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC).
¿Qué es la mecánica cuántica y por qué está recibiendo tanta atención?
La mecánica cuántica es el principio utilizado para explicar el comportamiento de las partículas a escala atómica y subatómica. Todo comenzó a finales del siglo XIX y principios del XX, cuando los científicos se dieron cuenta, a partir de una serie de observaciones experimentales, de que el comportamiento de los átomos no coincidía con las reglas de la mecánica clásica, donde los objetos cotidianos existen en un lugar específico en un momento determinado. Esto cambió el concepto tradicional de un átomo con un núcleo rodeado de electrones a orbitales que representan la probabilidad de que los electrones se encuentren en un rango dado en cualquier momento. Los electrones pueden saltar de un orbital a otro al ganar o perder energía, pero no pueden encontrarse entre orbitales. A partir de esta idea, y durante muchas décadas, se desvelaron las reglas de la mecánica cuántica, permitiendo a los científicos construir dispositivos que seguían esas reglas. Esto llevó a la primera revolución cuántica con la invención del transistor, el láser y el reloj atómico, que nos dieron las computadoras, las comunicaciones por fibra óptica y el sistema de posicionamiento global.
Está recibiendo tanta atención porque estamos en las primeras etapas de una segunda revolución cuántica, con científicos que ahora pueden controlar átomos, electrones y fotones individuales. Esto permite a nuestra comunidad científica construir computadoras cuánticas de alta velocidad, comunicaciones cuánticas a prueba de interceptación y métodos de medición cuántica hipersensibles. Todo esto es aprovechado por sólidas empresas tecnológicas en todo el mundo que ahora están en una frenética carrera por redefinir los límites de nuestra tecnología y, con ello, el tejido de nuestra vida cotidiana.
¿Cómo funcionan las computadoras cuánticas y cómo se construyen?
Las computadoras clásicas tienen miles de millones de transistores que se encienden o apagan para representar un valor de 0 o 1. Por eso, en la computación clásica, hablamos de dígitos binarios o bits. En contraste, las computadoras cuánticas procesan datos utilizando bits cuánticos o qubits que, a diferencia de los bits clásicos, pueden existir en estados simultáneos o superposiciones en el mismo momento, gracias a las leyes de la mecánica cuántica. Esto permite que cada qubit sea 1, 0 o ambos estados al mismo tiempo.
La magia de las computadoras cuánticas ocurre cuando estos qubits están entrelazados. El entrelazamiento es un tipo de correlación que une a los qubits, de modo que el estado de un qubit está vinculado al de otro. Así, al aprovechar la superposición y el entrelazamiento, las computadoras cuánticas pueden acelerar los cálculos y hacer cosas que las computadoras clásicas no pueden hacer.
Los qubits entrelazados pueden crearse de muchas maneras diferentes, por ejemplo, con circuitos electrónicos superconductores, atrapando átomos ionizados o exprimiendo partículas de luz (fotones). Cada tecnología está intentando actualmente preservar los efectos cuánticos el mayor tiempo posible mientras aumentan la cantidad de qubits de los cientos actuales hasta el millón objetivo que redefinirá para siempre los límites de la tecnología informática.
¿La criptografía cuántica y la criptografía post-cuántica son lo mismo?
La criptografía post-cuántica (también conocida como a prueba de cuántica, segura contra cuántica o resistente a cuántica) se refiere a los algoritmos criptográficos que se consideran seguros frente a los ataques de computadoras cuánticas en el futuro. Estos algoritmos se llaman post-cuánticos porque la seguridad de la mayoría de los algoritmos estándares actuales depende de resolver problemas matemáticos complejos, suficientes para defenderse de las computadoras modernas pero incapaces de resistir el ataque de una computadora cuántica una vez que alcanzan una potencia computacional específica en el número de Qubits.
Por otro lado, la criptografía cuántica, también conocida como distribución de claves cuánticas (QKD, por sus siglas en inglés), describe el uso de efectos cuánticos para permitir una distribución de claves incondicionalmente segura entre dos usuarios legítimos, garantizada por las leyes fundamentales de la física cuántica.
Aunque algunas personas piensan que estas dos tecnologías son excluyentes, en realidad están diseñadas para ser aliadas en la seguridad de las comunicaciones futuras.
En pocas palabras, ¿ cómo funciona el sistema de distribución cuántica de claves (QKD)?
La Distribución Cuántica de Claves es un método para que dos partes en criptografía, Alice y Bob, establezcan de forma segura una clave compartida para codificar mensajes a través de fibra óptica o el espacio. Para crear la clave, primero, Alice cifra bits aleatorios en señales cuánticas (fotones extremadamente débiles) y los transmite por el canal. Luego, Bob mide el estado de los fotones que llegan y obtiene datos que están parcialmente correlacionados con los datos codificados por Alice. Estos datos pueden usarse para destilar una clave secreta utilizando corrección de errores y amplificación de privacidad.
Cuando un hacker observa la información codificada en los fotones cuánticos enviados por Alice, cambiarán irreversiblemente sus propiedades porque los estados cuánticos no pueden ser clonados ni copiados. Esto significa que Bob recibe señales cuánticas que no están correlacionadas con las de Alice como deberían, lo que les permite saber que alguien ha intentado interceptar el mensaje. Alice y Bob descartan esta clave que ha sido comprometida y se genera una nueva siguiendo el mismo proceso hasta que se garantiza que está libre de ataques.
¿Cuál es la diferencia fundamental entre los enfoques de distribución cuántica de claves (QKD) discreta y continua?
En QKD de Variable Discreta (DV-QKD), el emisor (Alice) prepara y envía al receptor (Bob) señales cuánticas que consisten en fotones individuales con datos aleatorios codificados. La codificación se realiza siguiendo un protocolo específico de QKD utilizando un grado de libertad de valor discreto de los fotones, como la polarización, el tiempo-bin o el momento lineal. En el receptor, Bob mide el estado de los fotones que llegan utilizando detectores de fotón único para destilar una clave secreta.
En QKD de Variable Continua (CV-QKD), las señales cuánticas normalmente consisten en estados coherentes de luz con información codificada en la cuadratura de los campos electromagnéticos. En lugar de detectores de fotón único, CV-QKD utiliza detección coherente homodina o heterodina (conocida en telecomunicaciones como detección homodina de diversidad de fase) para recuperar el valor de cuadratura de la señal y así destilar una clave secreta.
¿Cuál es el estado de la estandarización y certificación de las tecnologías de distribución de claves cuánticas (QKD)?
La estandarización y certificación de la tecnología QKD son vitales para permitir la penetración en el mercado y asegurar la interoperabilidad del equipo y una cadena de suministro robusta. Para ello, las normas son bastante exhaustivas, ya que definen marcos que consideran todos los aspectos de la tecnología y la implementación en un sistema completo, el desempeño, las mejores prácticas operativas o las especificaciones de seguridad, por nombrar algunos.
Todas las organizaciones de normalización críticas a nivel mundial (nacionales, europeas y globales) ya comenzaron hace años a redactar sus especificaciones sobre sistemas QKD, lo que indica tanto una mayor madurez como un fuerte interés en la aplicación y comercialización de la tecnología QKD.
Puedes leer el análisis integral realizado por OpenQKD aquí para obtener más información sobre la estandarización de QKD.
Supongamos que las criptografías clásicas o matemáticas, y las post-cuánticas avanzan rápidamente. ¿Representarán una amenaza grave para la adopción de la criptografía cuántica?
En lugar de competir, tanto la criptografía matemática como la poscuántica son complementarias a la criptografía cuántica. Esto está surgiendo al hablar con proveedores de cifrado y telecomunicaciones y está respaldado por los planes de la Comisión Europea para desplegar EuroQCI. La idea es monitorear continuamente la evolución de todas estas tecnologías y elaborar una hoja de ruta para aprovechar tanto los protocolos de seguridad basados en la complejidad física como en la matemática.
¿No son las tecnologías de Distribución de Claves Cuánticas (QKD) demasiado complejas y costosas, alejadas de la usabilidad de nivel telecomunicaciones?
Existen numerosos proyectos europeos, y empresas privadas están invirtiendo e investigando para hacer que la tecnología sea accesible al involucrar a expertos en producción y el know-how de las empresas usuarias finales y propietarios de infraestructuras de red.
Europa parece estar rezagada respecto al resto del mundo en la fabricación de componentes fotónicos. ¿Retrasará esto la introducción de los sistemas de Distribución Cuántica de Claves (QKD)?
Se desea/prefiere tecnología fabricada en Europa para estos sistemas, a fin de garantizar la soberanía europea. Por esa razón, la propia Unión Europea, a través de numerosos programas de financiamiento y consorcios industriales como el European Quantum Industry Consortium (QuIC), está estimulando a posibles fabricantes y proveedores para que desarrollen y produzcan en Europa todos los componentes críticos durante los próximos años.
