Nuevo récord de criptografía cuántica

Los científicos europeos han batido un récord de distancia por enviar información cuántica de un lugar a otro, allanando el camino para un sistema que se basa en las leyes de la física para proporcionar comunicaciones que no se pueden aprovechar. Si pueden extender el alcance de su señal un poco más, podrán usar satélites para enviar datos perfectamente seguros a todo el mundo.



Llamada de larga distancia: Se enviaron fotones entrelazados a 144 kilómetros desde una fuente de luz en La Palma a un receptor en Tenerife (arriba) ubicado en un observatorio local (abajo).

El equipo utilizó principios de la mecánica cuántica para crear una clave de cifrado en dos ubicaciones simultáneamente: una en un laboratorio en La Palma, en las Islas Canarias, y la segunda en un observatorio en la vecina isla de Tenerife, a 144 kilómetros de distancia. Esta clave de cifrado se puede utilizar para codificar datos que solo el remitente y el receptor pueden decodificar.





Queremos ver si es posible establecer una comunicación cuántica mundial, criptografía cuántica mundial, dice Anton Zeilinger , profesor de física en el Instituto de Física Experimental de la Universidad de Viena, Austria. Su equipo, junto con un equipo liderado por Harald Weinfurter de El Instituto Max Planck de Óptica Cuántica , en Garching, Alemania, publicó sus resultados en línea el 3 de junio en la revista Física de la naturaleza .

Para crear la clave, el equipo primero tuvo que crear pares de fotones entrelazados. El enredo, que Albert Einstein llamó acción espeluznante a distancia, significa que el destino de un fotón está ligado al destino del otro. Medir cualquier propiedad de la mecánica cuántica de un fotón cambia automáticamente esa misma propiedad en su compañero entrelazado, sin importar la distancia entre ellos.

En este caso, el equipo midió la polarización. La luz se puede polarizar en cualquier dirección; es una medida de la dirección en la que fluctúan las ondas de luz: horizontal o vertical, por ejemplo. Los investigadores crearon pares de fotones entrelazados disparando un potente rayo láser a través de un cristal. Por cada fotón que entraba, salían dos fotones entrelazados más débiles. Los investigadores hicieron rebotar la mitad de cada par de un espejo en un detector de luz local en La Palma. Enviaron el otro fotón a través de una lente y al otro lado del agua, donde un telescopio en Tenerife lo capturó y lo envió a un segundo detector de luz.



Tengo estos dos fotones, y si los mido en ambos extremos y les pregunto: '¿Están polarizados horizontal o verticalmente?', Una opción binaria, darán una respuesta aleatoria, dice Zeilinger. Pero debido al enredo, ambos darán la misma respuesta. En ambos lados obtienes un cero o en ambos lados obtienes un uno.

Cada vez que los detectores registraban un fotón y medían su polarización, contaba como un bit. Un fotón polarizado en una dirección era uno, y un fotón polarizado en la dirección opuesta era un cero. Agregue suficientes bits y obtendrá una clave de cifrado. Y es imposible robar esa clave sin que los usuarios lo sepan. Si alguien interceptara los fotones voladores, podría medirlos él mismo y luego enviarlos al receptor. Pero el acto de medirlos cambiaría sus propiedades mecánicas cuánticas, por lo que quedaría expuesto de inmediato.

Las claves de cifrado que se utilizan hoy en día se basan en la creencia de que se necesitan enormes recursos informáticos para romperlas, dice Jeffrey Shapiro , de MIT Grupo de Comunicaciones Ópticas y Cuánticas . Pero si alguien inventa una computadora cuántica mucho más poderosa, esa ventaja se perdería. Además, las secuencias aleatorias de números generadas para hacer las claves de cifrado actuales no son realmente aleatorias. Se generan mediante operaciones matemáticas, y un descifrador de código inteligente podría descubrir el algoritmo que se utiliza para generarlos. Los bits cuánticos, por otro lado, son completamente impredecibles, por lo que las claves basadas en ellos deberían ser irrompibles. Eso es atractivo para las empresas que desean enviar datos financieros de forma segura, así como para los gobiernos, que tienen todo tipo de comunicaciones confidenciales. Todos sabemos que la seguridad de los datos es uno de los temas esenciales en estos días, dice Zeilinger.

Creo que es un trabajo maravilloso, dice Shapiro sobre el documento del grupo europeo. Lo impresionante de esto es que lo han hecho a una distancia tan larga.



Lo mejor que habían hecho los investigadores anteriormente era detectar fotones entrelazados a distancias de unos 10 kilómetros. Para mejorar eso, el equipo de Zeilinger cambió a un láser que emite luz en pulsos en lugar de un rayo continuo. El láser pulsado solo tiene una tasa de repetición de 249 megahercios, mucho más lento que los láseres de 10 gigahercios que se usan comúnmente en las redes de comunicaciones ópticas, lo que limita la cantidad de señal que se puede enviar en un período de tiempo determinado. El láser pulsado tampoco es tan bueno como el continuo para producir entrelazamientos. Pero está cerca, y les dio a los miembros del equipo mucho más control sobre cuándo estaban produciendo fotones, lo que les ayudó a separar los fotones que querían de la luz parásita en el detector, para que pudieran leer la señal de manera más confiable. Los investigadores también tuvieron que lidiar con la turbulencia atmosférica que distorsiona la trayectoria de los fotones. Utilizaron un sistema automatizado que ajustaba continuamente la alineación del telescopio para encargarse de eso, aunque el haz de luz todavía se movía un poco sobre el detector.

La esperanza, dice Zeilinger, es mejorar los láseres y detectores lo suficiente para que esos enlaces de espacio libre funcionen entre las estaciones terrestres y los satélites, de modo que las claves de cifrado puedan enviarse desde cualquier lugar de la Tierra a cualquier otro. Como la mayoría de los satélites de comunicaciones orbitan a alturas de 300 a 500 kilómetros, con nuestros 144 kilómetros, estamos llegando allí, dice.

El hecho de que el equipo cubriera esa distancia en el espacio libre es ciertamente muy significativo, dice Prem Kumar , director de la Centro de Computación y Comunicación Fotónica en la Universidad Northwestern. Ha enviado fotones entrelazados a través de fibra óptica, lo que está bien para distancias cortas, dice. Pero debido a que la fibra absorbe fotones, no es práctico para más de 100 a 200 kilómetros, lo que no permitiría la distribución mundial.

Los investigadores forman parte de un consorcio europeo de unos 20 grupos, llamado SECOQC, que trabaja en comunicaciones seguras basadas en criptografía cuántica. El consorcio tiene como objetivo probar un sistema seguro en Europa en algún momento del próximo año.

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