Logran por primera vez la distribución cuántica de claves independiente del dispositivo a 100 kilómetros

En una red de comunicaciones cuánticas futura, un ordenador cuántico suficientemente grande y fiable (muy alejado de los que tenemos ahora mismo) podría romper las claves criptográficas que se usan para proteger nuestros datos y operaciones. La solución es usar nuevas claves criptográficas basadas en las propiedades de la física cuántica. Estas nuevas claves también son vulnerables a ciertos tipos de ataques, pero una manera particularmente segura de generarlas es hacer que el receptor y el emisor compartan un sistema cuántico con la célebre propiedad del entrelazamiento cuántico. Los ataques destruirían el entrelazamiento y esto sería fácilmente detectable midiendo las llamadas desigualdades de Bell. Este es el principio con el que funciona la distribución cuántica de claves independiente del dispositivo (DI-QKD, por sus siglas en inglés). Si de verdad queremos que tenga una aplicación práctica en una red de comunicaciones futura, debemos ser capaces de hacer DI-QKD entre nodos de la red que estén separados por distancias suficientemente grandes. 

En este artículo de Science los investigadores consiguen hacer DI-QKD entre partes separadas por distancias de entre 10 y 100 kilómetros. Los sistemas cuánticos que se entrelazan son átomos neutros de rubidio.  

El método para entrelazarlos fue propuesto, entre otros, por Ignacio Cirac en 2001 y consiste en detectar la luz emitida a mitad de camino entre los átomos. Como esa luz puede provenir de cualquiera de los dos átomos indistintamente, las reglas de la física cuántica nos dicen que, al medir un fotón de luz, los átomos pasan a estar entrelazados. Aunque en este experimento los átomos no están realmente separados por decenas de kilómetros, ya que están en el mismo laboratorio, la distancia se simula haciendo circular la luz por cables enrollados de fibra óptica de esas longitudes.  

El entrelazamiento cuántico es una propiedad muy frágil: a medida que la luz viaja por la fibra, las pequeñas pérdidas se van acumulando y el entrelazamiento generado es de peor calidad, lo que se traduce en tasas de error más grandes en las claves criptográficas generadas. Los resultados del experimento muestran que los errores en la clave van desde el 3% cuando la distancia es 11 kilómetros hasta más del 7 % para 100 kilómetros. Por tanto, aunque se trata de un paso importante en la buena dirección, todavía estaríamos muy lejos de poder realizar una distribución cuántica de claves completamente segura y libre de errores a una escala de distancias entre ciudades.

¿En qué consiste este avance?   

“La criptografía es un campo muy importante en la actualidad: cada día se realiza una gran cantidad de intercambios de información confidencial. Los protocolos criptográficos de distribución cuántica de clave (quantum key distribution, QKD) permiten a dos usuarios honestos, usualmente denominados Alice y Bob, compartir una clave secreta, que luego se puede usar para transmitir información confidencial de manera privada. Se trata de un cambio de paradigma: la seguridad del protocolo está garantizada en estos esquemas por las leyes de la física cuántica.  

Alrededor de 2010, una serie de ataques exitosos en implementaciones de QKD demostraron que la seguridad de estos protocolos se puede ver comprometida si los dispositivos que se usan en la práctica no se comportan como lo supuesto en la descripción teórica del protocolo. Es decir, cualquier diferencia entre teoría y experimento abre posibilidades para los enemigos a la hora de romper la seguridad. Para paliar esta debilidad, se introdujeron los protocolos de QKD independientes de los dispositivos (device-independent en inglés). En ellos, la descripción teórica no asume nada de los dispositivos (es independiente de ellos), que son vistos como cajas negras. No hay por tanto diferencia entre teoría y experimento que pueda ser explotada por el enemigo para romper la comunicación, como en los ataques exitosos precedentes. Los protocolos device-independent proporcionan el máximo nivel de seguridad garantizado por la física cuántica. La propiedad cuántica que se usa para alcanzar este nivel tan fuerte de seguridad cuántica es la violación de las llamadas desigualdades de Bell que se observa al medir partículas entrelazadas. 

El problema de los protocolos independientes de los dispositivos es que su implementación es compleja. Antes de este experimento, solo se había conseguido demostrar en una configuración donde la distancia entre Alice y Bob era de dos metros. El resultado fue remarcable como prueba de principio, pero en la práctica no solemos necesitar de esquemas criptográficos completos para garantizar una transacción entre dos personas que distan dos metros. Con que den dos pasos, es más que suficiente 😊. 

Este articulo reporta la implementación experimental de un protocolo independiente de los dispositivos para distancias de decenas de kilómetros que son mucho más interesantes desde el punto de vista práctico y abre el camino por tanto a la viabilidad de estos protocolos”.  

¿El estudio es de buena calidad?  

“Excelente, es un logro y una mejora muy importante con respecto al estado del arte: es la primera demostración práctica de distribución cuántica de claves independiente de los dispositivos”.  

¿Tiene alguna limitación que haya que tener en cuenta?  

“A pesar de ser un avance impresionante, tiene aún aspectos de prueba de principio. 

1. El más importante: Alice y Bob no están separados por decenas de kilómetros. Están en el mismo laboratorio, pero conectados por una fibra cuya longitud es de decenas de kilómetros. En principio, esta configuración simula la situación en que Alice y Bob estén en sitios separados a distancia de decenas de kilómetros y conectados por una fibra, pero en la práctica no es lo mismo. 

2. Un poco más técnico: el experimento reporta que para distancias en fibra de centenares de kilómetros se observan las condiciones que permitirían llevar a cabo de manera exitosa el protocolo, pero no ha conseguido una implementación completa”.