100 km sin precedentes: los investigadores establecen un nuevo récord de distancia con claves cuánticas

El cable de fibra óptica de 100 kilómetros a través del cual un equipo de investigadores de DTU distribuyó con éxito una clave cifrada cuántica de forma segura. Crédito: DTU

Investigadores de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU) han utilizado con éxito el cifrado cuántico para la transmisión segura de información a una distancia de 100 kilómetros a través de un cable de fibra óptica, aproximadamente la misma distancia que entre Oxford y Londres.

Los científicos de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU) han logrado un gran avance en la comunicación segura al distribuir una clave cuántica segura a través de la distribución de claves cuánticas continuamente variable (CV QKD). Este equipo estableció un nuevo récord al hacer efectiva la técnica en una distancia sin precedentes de 100 kilómetros, la más larga jamás lograda con CV QKD. La ventaja del método es que se puede aplicar a la infraestructura existente de Internet.

Los ordenadores cuánticos amenazan los cifrados existentes basados ​​en algoritmos, que actualmente protegen las transferencias de datos contra escuchas y vigilancia. Todavía no son lo suficientemente fuertes como para romperlos, pero es cuestión de tiempo. Si una computadora cuántica logra encontrar los algoritmos más seguros, dejará una puerta abierta a todos los datos conectados a través de Internet. Esto aceleró 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 variable clave cuántica 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 Avances científicos, Distribuimos de forma segura una clave codificada 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 codificada cuánticamente por todo el mundo a través de Internet.

Claves secretas de los estados cuánticos de la luz.

“Cuando hay que enviar datos de A a B, hay que protegerlos. El cifrado combina datos con una clave segura compartida entre el remitente y el receptor para que ambos puedan acceder a los datos. Un tercero no debe poder ver la clave mientras se transmite; de lo contrario, el cifrado se verá comprometido. Por tanto, el intercambio de claves es esencial en el cifrado de datos.

La distribución de claves cuánticas (QKD) es una tecnología avanzada en la que los investigadores están trabajando para el intercambio de claves. La tecnología asegura el intercambio de claves criptográficas utilizando luz de partículas de mecánica cuántica llamadas fotones.

El grupo de investigación: (delante) Adnan AE Hajomer, Nitin Jain, Ulrik L. Andersen (detrás) Ivan Derkach, Hou-Man Chin, Tobias Gehring. Crédito: DTU

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 cambian instantáneamente su estado. Por lo tanto, sólo es físicamente posible medir la luz interfiriendo con la señal.

«Es imposible hacer una copia de un estado cuántico, como hacer 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, contra ataques de piratería», explica Tobias Gehring.

Funciona a través de infraestructura existente.

La tecnología de distribución de claves cuánticas continuamente variable (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 pasa por 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 propensas a sufrir interferencias, lo que en términos técnicos se denomina ruido.

«Es una tecnología estándar que se utiliza desde hace mucho tiempo. Por lo tanto, no es necesario inventar algo nuevo para poder utilizarlo para distribuir claves cuánticas y puede hacer que la implementación sea mucho más económica. Y podemos trabajar a temperatura ambiente», explica Tobias Gehring y añade:

“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 ayuda del aprendizaje automático

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

El aprendizaje automático ha proporcionado una medida más temprana 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 que se transmiten. La detección más temprana del sonido permitió reducir de forma más eficaz su efecto correspondiente.

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 garantizar su comunicación. También intentaremos generar claves secretas entre Copenhague y Odense, por ejemplo, para que las empresas con sucursales en ambas ciudades puedan establecer una comunicación cuántica segura», afirma Tobias Gehring.

Referencia: “Distribución de clave cuántica variable de larga distancia sobre fibra de 100 km con oscilador local” por Adnan AE Hajomer, Ivan Derkach, Nitin Jain, Hou-Man Chin, Ulrik L. Andersen y Tobias Gehring, 3 de enero de 2024, Avances científicos.
DOI: 10.1126/sciadv.adi9474

El Fondo Danés de Innovación, la Fundación Nacional Danesa de Investigación, el programa de investigación e innovación Horizonte Europa de la Unión Europea, la Fundación Carlsberg y la Fundación Científica Checa apoyan el proyecto.