A medida que las comunicaciones digitales se aceleran y las amenazas cibernéticas aumentan, los investigadores están trabajando para desarrollar formas más seguras de transmitir información. Uno de los enfoques más prometedores es la criptografía cuántica, que utiliza fotones individuales para generar claves de cifrado. Un equipo de investigación de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia ha desarrollado y probado un nuevo sistema de distribución de claves cuánticas (QKD) dentro de la red de fibra urbana existente. Su método utiliza codificación de alta dimensión y se basa en un fenómeno óptico bien conocido llamado efecto Talbot. Se publican los resultados Óptica cuántica, ópticoY Se aplica revisión física.
“Nuestra investigación se centra en la distribución de claves cuánticas (QKD), una tecnología que utiliza un solo fotón para establecer una clave criptográfica segura entre dos partes”, dijo el Dr. Michal Karpinski, jefe del Laboratorio de Fotónica Cuántica de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia. “Tradicionalmente, QKD emplea los llamados qubits, unidades simples de información cuántica. Aunque este método ya está bien probado, no siempre cumple con los requisitos de aplicaciones más exigentes. Es por eso que los investigadores ahora están trabajando con codificación multidimensional. En lugar de qubits, que dan uno de dos, podemos usar múltiples mediciones complejas que podemos considerar mediciones más complejas por estado”.
En el laboratorio, los científicos estudian las superposiciones de fotones en intervalos de tiempo. En estos estados, un fotón no se detecta simplemente como llegada “temprana” o “tardía”, sino que existe como una combinación de ambas posibilidades. El tiempo de detección exacto es aleatorio y la información está codificada sobre la fase entre estos pulsos de luz.
“Hasta ahora, era posible la detección eficiente de la superposición de dos pulsos, antes y después. Fuimos un paso más allá: estábamos interesados en más intervalos de tiempo, de dos a cuatro o más”, añadió el Dr. Karpinski.
Utilizando el efecto Talbot en la comunicación cuántica
El equipo recurrió al efecto Talbot, un fenómeno de la óptica clásica descrito por primera vez por Henry Fox Talbot en 1836.
“Cuando la luz pasa a través de una rejilla de dispersión, su imagen se repite a intervalos regulares, como si ‘reviviera’ a cierta distancia. Curiosamente, el mismo efecto se produce no sólo en el espacio, sino también en el tiempo, siempre que un tren regular de pulsos de luz se propague a través de un medio de dispersión como una fibra óptica”, explica Phnikys UDWty, estudiante de Phynics UDY en Ogroty.
Al aplicar este efecto a secuencias de pulsos de luz con fotones individuales, los investigadores crearon un sistema donde las señales pueden reconstruirse a sí mismas con el tiempo a medida que viajan a través de fibras ópticas. La forma en que estos pulsos se superponen e interfieren depende de su fase, lo que permite identificar y medir diferentes estados cuánticos.
“Gracias a la analogía del espacio-tiempo en óptica, podemos aplicar el efecto Talbot a pulsos de luz cortos con fotones individuales, lo que lleva a nuevas capacidades para analizar y procesar estados cuánticos. En nuestro caso, una secuencia de pulsos de luz actúa como una rejilla de difracción y puede ‘auto-recuperarse’ después de viajar cierta distancia. La forma en que los pulsos interfieren depende de su fase, lo que nos permite detectar diferentes tipos de superposiciones”.
Diseño simple de sistema de distribución de claves cuánticas
Los investigadores desarrollaron un sistema QKD experimental capaz de operar en cuatro dimensiones.
“Es importante destacar que toda la configuración se construye utilizando componentes disponibles comercialmente. El truco clave es que el sistema requiere sólo un detector de fotones para registrar la superposición de muchos pulsos, en lugar de una red compleja de interferómetros”, dijo Adam Widomsky, estudiante de doctorado en el Departamento de Física de la Universidad de Washington.
Este diseño reduce significativamente tanto el costo como la complejidad técnica. También elimina la necesidad de una calibración frecuente y precisa del receptor, que es un desafío importante en los sistemas tradicionales.
“Tradicionalmente, para detectar la diferencia de fase entre los pulsos, utilizamos una configuración de interferómetro múltiple, algo así como un árbol, donde los pulsos se dividen y retrasan. Desafortunadamente, tales sistemas son ineficientes, ya que algunos resultados de las mediciones son inútiles. La eficiencia disminuye con el número de pulsos, y es necesario interpretar la audibilidad y especificidad del receptor.
“La ventaja de nuestro método es su alta eficiencia, porque todos los eventos de detección de fotones son efectivos. El error es una tasa de error de medición relativamente alta. Sin embargo, no previenen la QKD, como hemos demostrado en colaboración con investigadores que trabajan en la teoría de la criptografía cuántica. Además, no necesitamos reconstruir la configuración con detección de superposición 4 y sin detección de superposición 4. Esto es una gran ventaja en comparación con los métodos anteriores de cambiar el hardware o estabilizar el receptor”, añade Widomsky.
Pruebas en el mundo real y mejoras de seguridad
El sistema se probó tanto en una instalación de fibra de laboratorio como a varios kilómetros a lo largo de la red de fibra existente de la Universidad de Varsovia.
“Gracias al nuevo método que utiliza el efecto Talbot temporal, hemos demostrado con éxito QKD con codificación bidimensional y cuatridimensional utilizando el mismo transmisor y receptor. A pesar de los errores inherentes al método experimental habitual, nuestros resultados confirman la mayor eficiencia de la información del sistema resultante de la codificación de alta dimensión”, dijo Widomski.
La distribución de claves cuánticas se valora por su seguridad demostrable bajo ciertos supuestos. Para garantizar la solidez de su enfoque, el equipo colaboró con expertos de Italia y Alemania que se especializan en análisis de seguridad QKD.
“Un análisis más detallado muestra que la descripción estándar de muchos protocolos QKD está incompleta, lo que puede ser aprovechada por los atacantes. Desafortunadamente, nuestro método comparte esta debilidad. Participamos en el esfuerzo para resolver este problema. Nuestros colaboradores encontraron que una cierta modificación del receptor permitió recopilar más datos, revelando así la capacidad del nuevo protocolo para eliminar la seguridad. Se implementó la revisión física, y en nuestro reciente trabajo de investigación discutimos su aplicación en nuestros experimentos”, dijo Ogrodnik.
Avances en la investigación de la fotónica cuántica
Más allá de demostrar un nuevo método de comunicación, el proyecto reforzó la experiencia de la Universidad de Varsovia en fotónica cuántica avanzada.
El trabajo se llevó a cabo en el marco del Programa Internacional Quantera sobre Tecnologías Cuánticas coordinado por el Centro Nacional de Ciencias (NCN, Polonia). Los investigadores también utilizaron las instalaciones del Laboratorio Nacional de Fotónica y Tecnologías Cuánticas (NLPQT) de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia.
