Por primera vez, Los investigadores han enviado un mensaje de seguridad cuántica que contiene más de un bit de información por fotón a través del aire sobre una ciudad. La demostración demostró que algún día podría ser práctico utilizar alta capacidad, comunicación cuántica en el espacio libre para crear un vínculo altamente seguro entre redes terrestres y satélites, un requisito para la creación de una red de cifrado cuántico global.

El cifrado cuántico utiliza fotones para codificar información en forma de bits cuánticos. En su forma más simple, conocido como cifrado 2D, cada fotón codifica un bit:uno o un cero. Los científicos han demostrado que un solo fotón puede codificar aún más información, un concepto conocido como cifrado cuántico de alta dimensión, pero hasta ahora esto nunca se ha demostrado con la comunicación óptica en el espacio libre en condiciones del mundo real. Con ocho bits necesarios para codificar solo una letra, por ejemplo, empaquetar más información en cada fotón aceleraría significativamente la transmisión de datos.

"Nuestro trabajo es el primero en enviar mensajes de forma segura utilizando cifrado cuántico de alta dimensión en condiciones realistas de la ciudad, incluida la turbulencia, "dijo el líder del equipo de investigación, Ebrahim Karimi, Universidad de Ottawa, Canadá. "El seguro, El esquema de comunicación en el espacio libre que demostramos podría potencialmente vincular la Tierra con satélites, conectar de forma segura lugares donde es demasiado caro instalar fibra, o utilizarse para la comunicación encriptada con un objeto en movimiento, como un avión ".

Como se detalla en Optica , La revista de la Optical Society para la investigación de alto impacto, Los investigadores demostraron el cifrado cuántico 4D en una red óptica de espacio libre que abarca dos edificios separados por 0,3 kilómetros en la Universidad de Ottawa. Este esquema de cifrado de alta dimensión se conoce como 4D porque cada fotón codifica dos bits de información, que proporciona las cuatro posibilidades de 01, 10, 00 o 11.

Además de enviar más información por fotón, El cifrado cuántico de alta dimensión también puede tolerar más ruido que oscurece la señal antes de que la transmisión se vuelva insegura. El ruido puede surgir del aire turbulento, electrónica fallida, detectores que no funcionan correctamente y de intentos de interceptar los datos. "Este umbral de ruido más alto significa que cuando falla el cifrado cuántico 2D, puede intentar implementar 4D porque, en principio, es más seguro y más resistente al ruido, "dijo Karimi.

Usando la luz para el cifrado

Hoy dia, se utilizan algoritmos matemáticos para cifrar mensajes de texto, transacciones bancarias e información de salud. Interceptar estos mensajes cifrados requiere averiguar el algoritmo exacto que se utiliza para cifrar un dato determinado, una hazaña que es difícil ahora, pero que se espera que sea más fácil en la próxima década a medida que las computadoras se vuelvan más poderosas.

Dada la expectativa de que los algoritmos actuales pueden no funcionar tan bien en el futuro, se está prestando más atención a técnicas de cifrado más sólidas, como la distribución de claves cuánticas, que utiliza propiedades de partículas de luz conocidas como estados cuánticos para codificar y enviar la clave necesaria para descifrar los datos codificados.

Aunque el cifrado cuántico de espacio libre y cableado se ha implementado en algunos redes locales, implementarlo a nivel mundial requerirá el envío de mensajes encriptados entre estaciones terrestres y las redes de comunicación cuántica basadas en satélites que unirían ciudades y países. Las pruebas horizontales a través del aire se pueden utilizar para simular el envío de señales a satélites, con unos tres kilómetros horizontales que equivalen aproximadamente a enviar la señal a través de la atmósfera de la Tierra a un satélite.

Antes de realizar una prueba de tres kilómetros, los investigadores querían ver si era posible realizar un cifrado cuántico 4D en el exterior. Se pensó que esto era tan desafiante que algunos otros científicos en el campo dijeron que el experimento no funcionaría. Uno de los principales problemas que se enfrentan durante cualquier experimento en el espacio libre es lidiar con la turbulencia del aire, que distorsiona la señal óptica.

Pruebas del mundo real

Para las pruebas, los investigadores llevaron sus configuraciones ópticas de laboratorio a dos techos diferentes y las cubrieron con cajas de madera para brindar cierta protección contra los elementos. Después de mucho ensayo y error, enviaron con éxito mensajes protegidos con cifrado cuántico 4D a través de su enlace intraurbano. Los mensajes exhibieron una tasa de error del 11 por ciento, por debajo del umbral del 19 por ciento necesario para mantener una conexión segura. También compararon el cifrado 4D con el 2D, encontrando eso, después de la corrección de errores, podrían transmitir 1,6 veces más información por fotón con cifrado cuántico 4D, incluso con turbulencia.

"Después de traer el equipo que normalmente se usaría en una limpieza, ambiente de laboratorio aislado a una azotea que está expuesta a los elementos y no tiene aislamiento de vibración, fue muy gratificante ver resultados que mostraban que podíamos transmitir datos seguros, "dijo Alicia Sit, un estudiante de pregrado en el laboratorio de Karimi.

Como siguiente paso, los investigadores planean implementar su esquema en una red que incluye tres enlaces que están separados por aproximadamente 5.6 kilómetros y que utiliza una tecnología conocida como óptica adaptativa para compensar la turbulencia. Finalmente, quieren vincular esta red a una que existe ahora en la ciudad. "Nuestro objetivo a largo plazo es implementar una red de comunicación cuántica con múltiples enlaces pero utilizando más de cuatro dimensiones mientras intentamos sortear la turbulencia, "dijo Sit.