Internet está repleto de información altamente confidencial. Las técnicas de encriptación sofisticadas generalmente aseguran que dicho contenido no pueda ser interceptado ni leído. Pero en el futuro, las computadoras cuánticas de alto rendimiento podrían descifrar estas claves en cuestión de segundos. Es bueno, entonces, que las técnicas mecánicas cuánticas no solo permitan algoritmos nuevos y mucho más rápidos, sino también una criptografía extremadamente efectiva.

La distribución de claves cuánticas (QKD), como dice la jerga, es segura contra ataques en el canal de comunicación, pero no contra ataques o manipulaciones de los dispositivos en sí. Por lo tanto, los dispositivos podrían generar una clave que el fabricante había guardado previamente y posiblemente podría haberla enviado a un pirata informático. Con QKD independiente del dispositivo (abreviado como DIQKD), es una historia diferente. Aquí, el protocolo criptográfico es independiente del dispositivo utilizado. Teóricamente conocido desde la década de 1990, este método ahora se ha realizado experimentalmente por primera vez, por un grupo de investigación internacional dirigido por el físico de LMU Harald Weinfurter y Charles Lim de la Universidad Nacional de Singapur (NUS).

Para el intercambio de claves mecánicas cuánticas, existen diferentes enfoques disponibles. El transmisor envía señales de luz al receptor o se utilizan sistemas cuánticos entrelazados. En el presente experimento, los físicos utilizaron dos átomos de rubidio entrelazados mecánicamente cuánticamente, situados en dos laboratorios ubicados a 400 metros uno del otro en el campus de la LMU. Las dos ubicaciones están conectadas a través de un cable de fibra óptica de 700 metros de longitud, que pasa por debajo de Geschwister Scholl Square, frente al edificio principal.

Para crear un entrelazamiento, primero los científicos excitan cada uno de los átomos con un pulso láser. Después de esto, los átomos vuelven a caer espontáneamente a su estado fundamental, emitiendo cada uno un fotón. Debido a la conservación del momento angular, el espín del átomo se enreda con la polarización de su fotón emitido. Las dos partículas de luz viajan a lo largo del cable de fibra óptica hasta una estación receptora, donde una medición conjunta de los fotones indica un entrelazamiento de las memorias cuánticas atómicas.

Para intercambiar una clave, Alice y Bob, como los criptógrafos suelen denominar a las dos partes, miden los estados cuánticos de sus respectivos átomos. En cada caso, esto se hace aleatoriamente en dos o cuatro direcciones. Si las direcciones corresponden, los resultados de la medición son idénticos debido al enredo y pueden usarse para generar una clave secreta. Con los otros resultados de medición, se puede evaluar la llamada desigualdad de Bell. El físico John Stewart Bell desarrolló originalmente estas desigualdades para probar si la naturaleza se puede describir con variables ocultas. "Resultó que no puede", dice Weinfurter. En DIQKD, la prueba se usa "específicamente para garantizar que no haya manipulaciones en los dispositivos, es decir, por ejemplo, que los resultados de medición ocultos no se hayan guardado en los dispositivos de antemano", explica Weinfurter.

A diferencia de los enfoques anteriores, el protocolo implementado, que fue desarrollado por investigadores de NUS, utiliza dos configuraciones de medición para la generación de claves en lugar de una:"Al introducir la configuración adicional para la generación de claves, se vuelve más difícil interceptar la información y, por lo tanto, el El protocolo puede tolerar más ruido y generar claves secretas incluso para estados entrelazados de menor calidad", dice Charles Lim.

Con los métodos QKD convencionales, por el contrario, la seguridad está garantizada solo cuando los dispositivos cuánticos utilizados se han caracterizado suficientemente bien. "Entonces, los usuarios de dichos protocolos deben confiar en las especificaciones proporcionadas por los proveedores de QKD y confiar en que el dispositivo no cambiará a otro modo operativo durante la distribución de claves", explica Tim van Leent, uno de los cuatro autores principales del estudio. papel junto a Wei Zhang y Kai Redeker. Se ha sabido durante al menos una década que los dispositivos QKD más antiguos podrían piratearse fácilmente desde el exterior, continúa van Leent.

"Con nuestro método, ahora podemos generar claves secretas con dispositivos no caracterizados y potencialmente no confiables", explica Weinfurter. De hecho, inicialmente tenía sus dudas sobre si el experimento funcionaría. Pero su equipo demostró que sus dudas eran infundadas y mejoraron significativamente la calidad del experimento, como admite felizmente. Junto con el proyecto de cooperación entre LMU y NUS, otro grupo de investigación de la Universidad de Oxford demostró la distribución de claves independiente del dispositivo. Para ello, los investigadores utilizaron un sistema formado por dos iones entrelazados en el mismo laboratorio. "Estos dos proyectos sientan las bases para futuras redes cuánticas, en las que es posible una comunicación absolutamente segura entre ubicaciones muy distantes", dice Charles Lim.

Uno de los próximos objetivos es expandir el sistema para incorporar varios pares de átomos entrelazados. "Esto permitiría generar muchos más estados entrelazados, lo que aumenta la tasa de datos y, en última instancia, la seguridad de la clave", dice van Leent. Además, a los investigadores les gustaría aumentar el rango. En la configuración actual, estaba limitado por la pérdida de alrededor de la mitad de los fotones en la fibra entre los laboratorios. En otros experimentos, los investigadores pudieron transformar la longitud de onda de los fotones en una región de baja pérdida adecuada para las telecomunicaciones. De esta manera, por solo un poco de ruido extra, lograron aumentar el alcance de la conexión de la red cuántica a 33 kilómetros.

La investigación fue publicada en Nature . + Explora más

Investigadores logran entrelazamiento récord de memorias cuánticas