La distribución de claves cuánticas (QKD) es un enfoque moderno para proteger las comunicaciones utilizando las leyes de la mecánica cuántica. Esto permite que dos partes generen una clave secreta compartida incluso si alguien observa en secreto la conexión. El poder de QKD reside en la física misma. Cualquier intento de interceptar las señales cuánticas las perturba, creando errores detectables que alertan a los usuarios sobre posibles escuchas.
Debido a esta función de detección incorporada, QKD se considera una de las tecnologías de comunicación más seguras en desarrollo.
Cómo los errores de apuntamiento afectan el rendimiento de QKD
Un factor importante que afecta el funcionamiento de QKD es el error de orientación, que ocurre cuando el transmisor y el receptor no están perfectamente alineados. Incluso una ligera desalineación puede interferir con el intercambio de señales cuánticas. Esto puede ocurrir por diversas razones, incluyendo vibración mecánica, turbulencia atmosférica y/o imperfecciones en el sistema de alineación.
Aunque el error de puntería juega un papel importante en la confiabilidad del sistema, no se ha estudiado a fondo en los sistemas de comunicación óptica inalámbrica (OWC) QKD.
Un nuevo marco analítico para la desalineación de haces
Para comprender mejor este problema, los investigadores publicaron un estudio. Revista IEEE de electrónica cuántica que introduce un modelo analítico detallado para cuantificar cómo el error de puntería afecta el rendimiento del sistema QKD OWC.
“Al combinar modelos estadísticos de desalineación del haz con la teoría de detección de fotones cuánticos, hemos desarrollado expresiones analíticas para indicadores clave de rendimiento de sistemas QKD, lo que aclara el papel exacto de los errores de señalización en la degradación de la generación segura de claves”, explica el profesor Yalkin Ata de la Universidad Técnica OSTIM, Turquía.
El equipo se centró en el protocolo QKD BB84, ampliamente utilizado. Para modelar la distorsión del haz de manera más realista, aplicaron las distribuciones de Rayleigh y Hoyt. Estas herramientas estadísticas representan las variaciones del haz horizontal y vertical con mayor precisión que los métodos simplificados utilizados en estudios anteriores, lo que permite obtener una imagen más clara de cómo se comportan los errores de puntería aleatorios.
Medición de la tasa de error y generación segura de claves
Utilizando estos modelos estadísticos avanzados, los investigadores verificaron la expresión analítica del error y la probabilidad del error de señalización, una primera identificación en el campo. A partir de ahí, calcularon la tasa de error de bits cuánticos (QBER), que refleja el porcentaje de bits corruptos causados por el ruido del sistema, las condiciones ambientales, las imperfecciones del hardware o los intentos de escuchas ilegales. Debido a que captura la confiabilidad general del sistema, QBER es un indicador clave de desempeño.
Luego utilizan QBER para determinar la tasa de clave secreta (SKR), que mide la rapidez con la que se puede generar una clave compartida segura. El análisis consideró tanto la desalineación simétrica del haz como las condiciones asimétricas, donde las deflexiones horizontales y verticales son diferentes.
Lo que revelan los resultados sobre la seguridad cuántica
Los resultados muestran que a medida que aumenta la cintura del haz, el error de puntería también aumenta, lo que da como resultado un QBER más alto y una SKR más baja. En otras palabras, el rendimiento disminuye a medida que la desalineación se vuelve más pronunciada. Ampliar la apertura del receptor puede mejorar los resultados, pero sólo hasta cierto límite.
Curiosamente, la desalineación asimétrica del haz ha demostrado ser beneficiosa en algunos casos, proporcionando un mejor rendimiento que una desalineación perfectamente equilibrada. Los investigadores también determinaron que la creación de un SKR distinto de cero, que es esencial para una comunicación segura, debería aumentar la cantidad promedio de fotones transmitidos.
“Nuestros resultados, basados en el marco de Rayleigh y Hoyt, son consistentes con los modelos generalizados existentes, al tiempo que proporcionan nueva claridad analítica sobre el papel de la asimetría en los errores de los indicadores”, concluye el profesor Ata.
