Cómo el cifrado cuántico de alta velocidad podría ayudar a asegurar el futuro Internet

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Los investigadores desarrollaron una distribución de claves cuánticas de alta velocidad comercialmente viable con estados cuánticos agrupados en el tiempo

Por Jean-Jacques DeLisle, escritor contribuyente

La computación cuántica promete velocidades computacionales en un umbral previamente inimaginable. Hay muchos beneficios prácticos al tener tecnologías de computación cuántica accesibles en este mundo de grandes datos y nuevos descubrimientos científicos basados ​​en datos. Sin embargo, la generación actual de códigos de seguridad y criptografía se basa en el principio de que las computadoras con capacidades modernas tomarían demasiado tiempo de procesamiento como para ser una amenaza. Este no es el caso con las próximas computadoras cuánticas, y se requiere un nuevo régimen de tecnologías criptográficas para proporcionar seguridad a los sistemas bancarios, de atención médica, gubernamentales y militares.

De acuerdo con Daniel Gauthier, profesor de física en la Universidad Estatal de Ohio, ahora es probable que tengamos una computadora cuántica en funcionamiento que podría comenzar a romper los códigos criptográficos existentes en el futuro cercano. "Realmente tenemos que pensar mucho sobre diferentes técnicas que podríamos utilizar para tratar de proteger Internet", dijo Gauthier .

Investigadores de varias universidades estadounidenses y una universidad en Singapur se han esforzado por desarrollar un método comercialmente viable para frustrar el problema de seguridad que plantean las computadoras cuánticas. Su solución es utilizar otros fenómenos cuánticos para proporcionar una distribución de clave cuántica probadamente segura y de alta velocidad . A diferencia de muchos proyectos de investigación de largo alcance, estos investigadores construyeron su sistema con componentes comerciales listos para usar y aprovecharon un protocolo que también podría usarse con canales cuánticos de espacio libre, no solo con canales cuánticos de fibra óptica y basados ​​en infraestructura.

Una nueva técnica puede transmitir códigos de cifrado cuántico de forma rápida y segura. Fuente de la imagen: Pixabay.

Uno de los principales problemas que el grupo buscó para encontrar una solución fue la baja tasa de generación de claves de los primeros sistemas de distribución de claves cuánticas, que son varios órdenes de magnitud más lentos que los sistemas de distribución de claves convencionales. Con una tasa de generación de claves tan baja, los primeros sistemas no eran adecuados para su uso con muchos procesos de comunicaciones de alta velocidad de datos. Otro trabajo previo presenta sistemas de distribución de claves cuánticas basados ​​en detectores de nanocables superconductores de un solo fotón y qubits (bits cuánticos), que mejoraron, pero aún limitan, las tasas de generación de claves.

"A estas tasas, los sistemas de cifrado seguro cuántico no pueden admitir algunas tareas diarias básicas, como el alojamiento de una llamada telefónica encriptada o transmisión de video", dijo Nurul Tamir Islam, un estudiante de posgrado en física de la Universidad de Duke.

Esta última investigación propuso el uso de estados cuánticos de alta dimensión (d> 2), o "qudits", para proporcionar una mayor robustez y una eficiencia mejorada en comparación con los sistemas de distribución de claves cuánticas anteriores. Los Qudits plantean una promesa interesante porque la cantidad de bits que pueden codificarse en un qudit es ilimitada, escalando logarítmicamente con d. Los Qudits también se pueden usar para aumentar la tasa de generación de claves en sistemas limitados por la saturación de detectores de fotones individuales, y los qudits tienen mayor resistencia al ruido de canales cuánticos, lo que permite menores tasas de errores de bit en comparación con los sistemas basados ​​en qubits.

"Fue cambiando estas propiedades adicionales del fotón que nos permitieron casi duplicar la tasa de seguridad que pudimos obtener si no hubiéramos hecho eso", dijo Gauthier, quien comenzó el trabajo como profesor de física en la Universidad de Duke. antes de mudarse a la Universidad Estatal de Oregon.

La seguridad de este nuevo sistema de distribución de claves cuánticas se basa en las relaciones de incertidumbre entrópica para qudits, una técnica desarrollada recientemente. Este nuevo proceso permite límites de clave finita para estados mutuamente imparciales y, por lo tanto, es seguro frente a ataques coherentes. Se utiliza un método de estado de señuelo de tres intensidades para estimar las estadísticas de fotón único y extraer la clave secreta, y un límite para una longitud de clave secreta extraíble se determina mediante datos medidos.

"Queríamos identificar cada falla experimental en el sistema e incluir estos defectos en la teoría para poder garantizar que nuestro sistema sea seguro y no haya un posible ataque de canal lateral", dijo Islam . "Todo este equipo, aparte de los detectores de fotón único, existe en la industria de las telecomunicaciones, y con algo de ingeniería, probablemente podríamos adaptar todo el transmisor y el receptor en una caja tan grande como la CPU de una computadora".

Dada la amenaza de la computación cuántica para las tecnologías de criptografía y seguridad convencionales, se requieren mayores esfuerzos de investigación para realizar sistemas comercialmente viables para proteger la información crítica. Si estos sistemas de encriptación pueden estar disponibles antes de la llegada de la informática cuántica accesible, podemos evitar un momento en el que incluso las tecnologías de encriptación convencionales más seguras puedan ser pirateadas fácilmente.