La distribución de claves cuánticas (QKD) es un método utilizado para intercambios de claves seguras o secretas entre dos usuarios remotos. Usando una comunicación segura, En última instancia, los cibercientíficos apuntan a establecer una red cuántica global. Las pruebas de campo existentes sugieren que tales redes cuánticas son factibles. Para lograr una red cuántica práctica, Se deben superar varios desafíos, incluida la realización de topologías variadas a gran escala, mantenimiento simple de la red y robustez ante fallas en los nodos. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Teng-Yun Chen y un equipo de investigación en física cuántica, la información cuántica y las ciencias de la información interdisciplinaria en China, presentó una operación de campo de una red de área metropolitana cuántica con 46 nodos. Se dieron cuenta de diversas estructuras topológicas y ejecutaron la red durante 31 meses a través de equipos estándar. Luego se dieron cuenta del emparejamiento QKD y la administración de claves para comunicaciones seguras, incluido el teléfono de voz en tiempo real, mensajería de texto y transmisión de archivos con cifrado de almohadilla de un solo uso para permitir que 11 pares de usuarios realicen llamadas de audio simultáneas. La técnica se puede combinar con una red troncal cuántica interurbana y mediante enlaces tierra-satélite para formar una red cuántica global.

Red cuántica global

En este trabajo, Chen y col. construyó una red de área metropolitana cuántica de 46 nodos en toda la ciudad de Hefei. La distribución de claves cuánticas (QKD) tiene como objetivo en última instancia construir una red cuántica global donde los tráficos de comunicación tengan garantías de seguridad de la teoría de la información. Una red QKD global puede mantener dos tipos de enlaces, incluida la red terrestre y la red satelital, donde la red terrestre se puede dividir aún más en una red troncal, redes metropolitanas y de acceso para cubrir distancias interurbanas y distancias de fibra hasta el hogar. Los investigadores han estudiado la viabilidad del QKD entre dos usuarios a través del espacio libre de larga distancia, fibras de telecomunicaciones y enlaces tierra-satélite simulados. Ejemplos de las pruebas de campo de las redes QKD que ya se han realizado incluyen una red de tres usuarios por DARPA, una red de seis nodos en Europa, la red SwissQuantum, así como una red de seis nodos tipo malla en Tokio. La red de satélites proporcionó un método prometedor para realizar intercontinentales, comunicación segura como resultado de la baja atenuación de la transmisión en el espacio mientras sirve como un relé confiable para conectar nodos o subredes de usuarios remotos. Los científicos habían implementado recientemente una red de satélites a gran escala que contiene cuatro redes de área metropolitana, una red troncal y dos enlaces tierra-satélite. Sin embargo, estos experimentos y redes de QKD son todavía preliminares, Por lo tanto, el equipo abordó los desafíos que rodean la realización de una red QKD práctica a gran escala.

Chen y col. construyó una red de área metropolitana cuántica de 46 nodos para conectar 40 nodos de usuario, tres relés de confianza y tres interruptores ópticos, en todo Hefei. La red cubrió toda el área urbana y conectó varias organizaciones dentro de los distritos de la ciudad, incluidos los gobiernos, bancos, hospitales, y universidades de investigación. Primero revisaron las estructuras topológicas básicas en una red donde el método más robusto usaba una topología completamente conectada donde cada usuario estaba conectado directamente a todos los demás usuarios de la red. El tipo de red no requería que los usuarios confiaran entre sí. Los nodos de usuario también se pueden conectar a través de un conmutador central en una red en forma de estrella, donde dos usuarios pueden crear claves seguras con una cantidad suficiente de relés de confianza. Por ejemplo, la columna vertebral Shanghai-Beijing utilizó esta técnica; sin embargo, la desventaja es que los usuarios deben confiar en el relé. Chen y col. construyó tres subredes en USTC, QuantumCTek y la biblioteca de la ciudad que se distribuyen a 15 km de distancia.

Topología de red y equipamiento QKD estándar

Los investigadores se dieron cuenta de dos tipos básicos de estructuras de conexión topológicas, incluida la conexión completa entre tres subredes y las conexiones en estrella para las redes de acceso local. Durante los experimentos, el equipo utilizó un conmutador óptico conocido como nodo de confianza en el centro de la subred en forma de estrella. Usando el nodo confiable, asignaron claves clásicas entre usuarios para funcionar como un enrutador clásico, mientras que los conmutadores ópticos de paso total actuaban como enrutadores cuánticos para redistribuir las señales cuánticas. Según la configuración, dos usuarios cualesquiera podrían comunicarse directamente sin interferir con otros usuarios. Chen y col. desarrolló aún más un tipo de módulo de conmutación que comprende cuatro puertos de entrada y ocho puertos de salida, el otro contenía un conmutador de 16 puertos que permitía a ocho pares de usuarios comunicarse simultáneamente. El equipo utilizó un protocolo para generar claves secretas entre los usuarios conectados directamente y los relés de confianza. Si un usuario tuviera un transmisor cuántico y el otro tuviera un receptor cuántico, podrían generar claves. Por tanto, la plataforma contenía dos tipos de usuarios; aquellos conectados directamente a un interruptor que contiene un transmisor y un receptor, y usuarios conectados directamente a un relé confiable con solo un transmisor cuántico. Como resultado, los científicos utilizaron dos tipos de equipos; uno para transmitir señales y otro para transmitir y recibir señales al mismo tiempo. Después de la conciliación de bases y la corrección de errores, estandarizaron el equipo QKD para reducir en gran medida el número de dispositivos utilizados.

Diseño de una estrategia de conmutación:aplicaciones y robustez de la red

Chen y col. desarrolló un proceso de gestión de claves para permitir a los usuarios generar claves en alta prioridad. Para lograr esto, diseñaron una estrategia de conmutación basada en la cantidad de claves almacenadas en las memorias locales para los usuarios. Luego conectaron un conmutador óptico de 16 puertos a 16 usuarios para obtener un total de 120 posibles esquemas de emparejamiento de claves mediante los cuales dos usuarios podrían conectarse para el proceso QKD durante un tiempo de conmutación que oscila entre 10 y 60 minutos. Para unirse a la red, un nuevo usuario primero tenía que enviar una trama de latido desde su dispositivo QKD al servidor de administración de claves para la autenticación y luego poner en cola el dispositivo para generar claves. Por seguridad, el equipo siguió el análisis de seguridad estándar de estado señuelo BB84 y generó la tasa de clave secreta del protocolo de distribución de clave cuántica BB84. Basado en la aplicación de la red, los usuarios hicieron uso de las claves seguras generadas para transferir información con confianza. Usando la red, Chen y col. información encriptada transmitida, incluyendo teléfono de voz en tiempo real, Mensajería instantánea, y archivos digitales con el método de cifrado de almohadilla de un solo uso. El retraso total en el proceso de cifrado fue inferior a 50 µs. Cuando los investigadores probaron la capacidad de la red durante 50 minutos, los 22 usuarios podían realizar llamadas simultáneamente durante seis minutos, dentro de la red cuántica. Para probar la estabilidad y robustez del sistema, ejecutaron continuamente la red durante 31 meses.

De este modo, Teng-Yun Chen y sus colegas desarrollaron una red de distribución de clave cuántica metropolitana (QKD) práctica y a gran escala con productos QKD comerciales para uso práctico en Hefei. Porcelana. El equipo podría escalar la red cuántica agregando más usuarios y relés para conectarse a la red troncal de Shanghai-Beijing como una red nacional. La red también se puede combinar con otros protocolos QKD para superar las imperfecciones de los dispositivos de medición para una comunicación eficiente y segura.

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