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Jun 03, 2023

Cifrado impenetrable para la comunicación de datos: los investigadores sacan del laboratorio la distribución de claves cuánticas

Por The Optical Society 18 de junio de 2021 La prueba de campo muestra que un sistema QKD simple funciona con la red de telecomunicaciones existente en Italia. En un nuevo estudio, los investigadores demuestran un sistema automatizado y fácil de operar.

Por The Optical Society 18 de junio de 2021

La prueba de campo muestra que el sistema QKD simple funciona con la red de telecomunicaciones existente en Italia.

En un nuevo estudio, los investigadores demuestran un sistema de distribución de claves cuánticas (QKD) automatizado y fácil de operar utilizando la red de fibra en la ciudad de Padua, Italia. La prueba de campo representa un paso importante hacia la implementación de esta tecnología de comunicación cuántica altamente segura utilizando el tipo de redes de comunicación que ya existen en muchas regiones del mundo.

QKD ofrece cifrado impenetrable para la comunicación de datos porque utiliza las propiedades cuánticas de la luz para generar claves aleatorias seguras para cifrar y descifrar datos.

"QKD puede ser útil en cualquier situación en la que la seguridad sea primordial porque ofrece seguridad incondicional para el proceso de intercambio de claves", dijo Marco Avesani de la Università degli Studi di Padova en Italia, coautor del nuevo estudio con Luca Calderaro y Giulio Foletto. . "Se puede utilizar para cifrar y autenticar datos de salud enviados entre hospitales o transferencias de dinero entre bancos, por ejemplo".

Los investigadores demostraron un nuevo sistema QKD simple a través de una red de fibra en Padua, Italia. Un mapa del centro de la ciudad [©2021 Google] muestra que el transmisor estaba ubicado en el Centro TIC de la UniPD mientras que el receptor estaba ubicado en el Departamento de Matemáticas. El transmisor y el receptor estaban conectados mediante 3,4 km de fibras desplegadas. Crédito: QuantumFuture Group, Università degli Studi di Padova

"Los sistemas QKD normalmente requieren un sistema de estabilización complejo y hardware de sincronización adicional dedicado", dijo Avesani. “Desarrollamos un sistema QKD completo que puede ser

interconectado directamente con equipos de telecomunicaciones estándar y no requiere hardware adicional para la sincronización. El sistema encaja fácilmente en los gabinetes de rack que se encuentran comúnmente en las salas de servidores”.

Para producir los estados cuánticos requeridos por QKD, los investigadores desarrollaron un nuevo codificador para manipular la polarización de fotones individuales. El codificador, que los investigadores llaman iPOGNAC, proporciona una referencia de polarización fija y estable que no requiere recalibración frecuente. Esta característica también es ventajosa para las comunicaciones cuánticas por satélite y en el espacio libre, donde las recalibraciones son difíciles de realizar.

"Gracias a la tecnología que desarrollamos, la fuente estaba lista para producir estados cuánticos cuando trasladamos nuestro sistema del laboratorio al lugar de la prueba de campo", dijo Calderaro. "No tuvimos que realizar el procedimiento de alineación lento y, a menudo, propenso a fallas, requerido para la mayoría de los sistemas QKD".

Todo el transmisor del nuevo sistema QKD cabe en un gabinete de rack de 19 pulgadas, que se encuentra comúnmente en las salas de servidores. Crédito: Luca Calderaro, Università degli Studi di Padova

Los investigadores también desarrollaron un nuevo algoritmo de sincronización, al que llamaron Qubit4Sync, para sincronizar las máquinas de los dos usuarios de QKD. En lugar de utilizar hardware adicional dedicado y un canal de frecuencia adicional para la sincronización, el nuevo sistema utiliza software y las mismas señales ópticas que se utilizan para QKD. Esto hace que el sistema sea más pequeño, más barato y más fácil de integrar en una red óptica existente.

Para probar el nuevo sistema, los investigadores llevaron sus dos terminales QKD a dos edificios universitarios separados por aproximadamente 3,4 kilómetros en diferentes zonas de Padua. Conectaron los sistemas a dos fibras ópticas subterráneas que forman parte de la red de comunicaciones de la universidad. Estas fibras sustentaban el canal cuántico que transportaba qubits y el canal clásico necesario para transferir información auxiliar.

"La prueba de campo fue un éxito", afirmó Foletto. “Demostramos que nuestro sistema simple puede producir claves secretas a velocidades de kilobits por segundo y que funciona fuera del laboratorio con poca intervención humana. También fue fácil y rápido de instalar”.

En una demostración pública, los investigadores utilizaron su configuración para permitir una videollamada de seguridad cuántica entre el rector de la Universidad de Padua y el director del Departamento de Matemáticas. Los investigadores señalan que el rendimiento del sistema es comparable al de otros sistemas QKD comerciales en términos de tasa de generación de claves secretas, al mismo tiempo que tiene menos componentes y es más fácil de integrar en una red de fibra existente.

Están trabajando para reducir el tamaño del aparato de detección y hacer que el sistema sea más resistente al ruido de otras luces que viajan por la misma fibra. El esfuerzo por desarrollar un sistema QKD completo y autónomo llevó a la creación de una spin-off llamada ThinkQuantum srl, que está trabajando para comercializar esta tecnología.

Referencia: “Distribución de claves cuánticas eficaz en recursos: una prueba de campo en el centro de la ciudad de Padua” por Marco Avesani, Luca Calderaro, Giulio Foletto, Costantino Agnesi, Francesco Picciariello, Francesco BL Santagiustina, Alessia Scriminich, Andrea Stanco, Francesco Vedovato, Mujtaba Zahidy, Giuseppe Vallone y Paolo Villoresi, 9 de junio de 2021, Optics Letters.DOI: 10.1364/OL.422890