Criptografía cuántica basada en interferencia cuántica para comunicaciones seguras

Los últimos años han sido testigos de un desarrollo impresionante de la computación cuántica a gran escala por parte de varios gigantes de la tecnología de la información como Google, IBM, Microsoft e Intel. Esto constituye una tremenda amenaza contra la confidencialidad e integridad de nuestras comunicaciones, especialmente para aquellas aplicaciones que requieren seguridad a largo plazo ya que un ordenador cuántico, cuando esté disponible, podría descifrar con éxito la información de manera retroactiva.

Una posible solución implica el uso de criptografía cuántica o, más precisamente, distribución cuántica de clave (QKD). Su seguridad se basa en propiedades fundamentales de la mecánica cuántica y permite la distribución de claves criptográficas de una forma segura. A diferencia de la criptografía convencional, la seguridad de la QKD puede garantizarse independientemente de cualquier avance tecnológico futuro en la capacidad computacional. De hecho, hasta ahora la QKD es la única solución probada que puede ofrecer seguridad a largo plazo en la distribución de claves criptográficas. Las claves generadas por QKD luego se pueden usar en combinación con algoritmos de cifrado simétricos, como el cifrado Vernam, para lograr una transmisión de datos incondicionalmente segura.

Sin embargo, las implementaciones reales de QKD pueden no siempre cumplir con los supuestos requeridos por las pruebas de seguridad, dando lugar a los llamados ataques de canal lateral, también presentes en la criptografía convencional, donde una implementación incorrecta de un protocolo conduce a la obtención de información por parte de un atacante. La QKD independiente del dispositivo de medición (MDI-QKD) garantiza la seguridad contra cualquier ataque de canal lateral a la unidad de medición, posiblemente el talón de Aquiles de las realizaciones de QKD. Por lo tanto, ofrece una vía clara para cerrar la brecha entre la teoría y la práctica en QKD. Esencialmente, la idea clave de MDI-QKD es realizar una operación de entanglement-swapping en un nodo intermedio que no es de confianza mediante la interferencia de dos fotones.

Si bien la implementación de MDI-QKD en fibra ya se comprende bastante bien, hasta ahora, se ha avanzado poco en las realizaciones experimentales de este protocolo en canales atmosféricos. Esto se debe al hecho de que la interferencia de dos fotones de alta visibilidad sobre enlaces en el espacio libre es bastante compleja debido a la distorsión del modo espacial y la fluctuación de intensidad causada por la turbulencia atmosférica. Solo muy recientemente, en el verano de 2020, se ha demostrado una interferencia de dos fotones y MDI-QKD en un enlace de espacio libre de unos 19 km. Sin embargo, la tasa de clave secreta final obtenida por este experimento es bastante limitada, alrededor de 6 bps.

Un objetivo clave de este proyecto es investigar y demostrar experimentalmente la interferencia de dos fotones de alta visibilidad en canales de espacio libre, posiblemente superando los resultados de visibilidad logrados y, por lo tanto, también aumentando la tasa de clave secreta alcanzable que podría entregar MDI-QKD en un enlace de espacio libre. Investigaremos e implementaremos experimentalmente técnicas, como el control de dirección del haz, la óptica adaptativa, las técnicas avanzadas de sincronización y el locking de frecuencia, para compensar los efectos atmosféricos y demostrar con éxito la interferencia de dos fotones en canals atmosféricos.