Las computadoras cuánticas amenazan los cifrados existentes basados ​​en algoritmos, que actualmente protegen las transferencias de datos contra escuchas y vigilancia. Todavía no son lo suficientemente potentes como para romperlos, pero es cuestión de tiempo. Si una computadora cuántica logra descubrir los algoritmos más seguros, deja una puerta abierta a todos los datos conectados a través de Internet. Esto ha acelerado el desarrollo de un nuevo método de cifrado basado en los principios de la física cuántica.

Pero para tener éxito, los investigadores deben superar uno de los desafíos de la mecánica cuántica:garantizar la coherencia en distancias más largas. Hasta ahora, la distribución continua de claves cuánticas variables ha funcionado mejor en distancias cortas.

"Hemos logrado una amplia gama de mejoras, especialmente en lo que respecta a la pérdida de fotones en el camino. En este experimento, publicado en Science Advances , distribuimos de forma segura una clave cifrada cuántica a 100 kilómetros a través de un cable de fibra óptica. Se trata de una distancia récord con este método", afirma Tobias Gehring, profesor asociado de la DTU, que junto con un grupo de investigadores de la DTU pretende poder distribuir información cifrada cuánticamente por todo el mundo a través de Internet.

Claves secretas de los estados cuánticos de la luz

Cuando es necesario enviar datos de A a B, deben protegerse. El cifrado combina datos con una clave segura distribuida entre el remitente y el receptor para que ambos puedan acceder a los datos. Un tercero no debe poder descifrar la clave mientras se transmite; de lo contrario, el cifrado se verá comprometido. Por lo tanto, el intercambio de claves es esencial para cifrar datos.

La distribución de claves cuánticas (QKD) es una tecnología avanzada en la que los investigadores están trabajando para intercambios cruciales. La tecnología garantiza el intercambio de claves criptográficas mediante el uso de luz procedente de partículas mecánicas cuánticas llamadas fotones.

Cuando un remitente envía información codificada en fotones, las propiedades mecánicas cuánticas de los fotones se explotan para crear una clave única para el remitente y el receptor. Los intentos de otros de medir u observar fotones en un estado cuántico cambiarán instantáneamente su estado. Por lo tanto, físicamente sólo es posible medir la luz perturbando la señal.

"Es imposible hacer una copia de un estado cuántico, como cuando se hace una copia de una hoja A4; si lo intentas, será una copia inferior. Eso es lo que garantiza que no sea posible copiar la clave. Esto puede proteger infraestructuras críticas como los registros médicos y el sector financiero sean pirateadas", explica Gehring.

Funciona a través de infraestructura existente

La tecnología CV QKD se puede integrar en la infraestructura de Internet existente.

"La ventaja de utilizar esta tecnología es que podemos construir un sistema que se parezca al que ya utiliza la comunicación óptica".

La columna vertebral de Internet es la comunicación óptica. Funciona enviando datos a través de luz infrarroja que atraviesa fibras ópticas. Funcionan como guías de luz colocadas en cables, lo que garantiza que podamos enviar datos a todo el mundo. Los datos se pueden enviar más rápido y a distancias más largas a través de cables de fibra óptica, y las señales luminosas son menos susceptibles a las interferencias, lo que en términos técnicos se denomina ruido.

"Es una tecnología estándar que se ha utilizado durante mucho tiempo. Por lo tanto, no es necesario inventar nada nuevo para poder utilizarla para distribuir claves cuánticas, y puede hacer que la implementación sea significativamente más barata. Y podemos operar a temperatura ambiente", explica Gehring. "Pero la tecnología CV QKD funciona mejor en distancias más cortas. Nuestra tarea es aumentar la distancia. Y los 100 kilómetros son un gran paso en la dirección correcta".

Ruido, errores y asistencia del aprendizaje automático

Los investigadores lograron aumentar la distancia abordando tres factores que limitan su sistema a la hora de intercambiar claves cifradas cuánticamente a distancias más largas:

El aprendizaje automático proporcionó mediciones anteriores de las perturbaciones que afectan al sistema. El ruido, como se denominan estas perturbaciones, puede deberse, por ejemplo, a la radiación electromagnética, que puede distorsionar o destruir los estados cuánticos transmitidos. La detección más temprana del ruido permitió reducir su efecto correspondiente de forma más eficaz.

Además, los investigadores han mejorado en la corrección de errores que pueden ocurrir en el camino, que pueden ser causados ​​por ruido, interferencias o imperfecciones en el hardware.

"En nuestro próximo trabajo, utilizaremos la tecnología para establecer una red de comunicación segura entre los ministerios daneses para proteger sus comunicaciones. También intentaremos generar claves secretas entre, por ejemplo, Copenhague y Odense para permitir que las empresas con sucursales en ambas ciudades puedan establecer una comunicación cuánticamente segura", afirma Gehring.

Aún no sabemos exactamente qué sucede

QKD fue desarrollado como concepto en 1984 por Bennett y Brassard, mientras que el físico canadiense y pionero de la informática Artur Ekert y sus colegas llevaron a cabo la primera implementación práctica de QKD en 1992. Su contribución ha sido crucial para desarrollar protocolos QKD modernos, un conjunto de reglas, procedimientos o convenciones que determinan cómo un dispositivo debe realizar una tarea.

QKD se basa en una incertidumbre fundamental al copiar fotones en un estado cuántico. Los fotones son las partículas de mecánica cuántica que componen la luz.

Los fotones en un estado cuántico conllevan una incertidumbre fundamental, lo que significa que no es posible saber con certeza si el fotón es uno o varios fotones recolectados en el estado dado, también llamados fotones coherentes. Esto evita que un pirata informático mida la cantidad de fotones, lo que hace imposible hacer una copia exacta de un estado.

También conllevan una aleatoriedad fundamental porque los fotones se encuentran en múltiples estados simultáneamente, lo que también se llama superposición. La superposición de fotones colapsa en un estado aleatorio cuando se produce la medición. Esto hace imposible medir con precisión en qué fase se encuentran mientras están en superposición.

En conjunto, resulta casi imposible para un pirata informático copiar una clave sin introducir errores, y el sistema sabrá si un pirata informático está intentando ingresar y podrá apagarse de inmediato. En otras palabras, resulta imposible para un hacker robar primero la llave y luego evitar que la puerta se cierre mientras intenta introducirla.

CV QKD se centra en medir las propiedades suaves de los estados cuánticos en fotones. Se puede comparar con transmitir información en un flujo de todos los matices de colores en lugar de transmitir información paso a paso en cada color.