Físicos de la Universidad Hebrea de Jerusalem han desarrollado un concepto innovador en encriptación cuántica que permite que la comunicación privada sea más segura a distancias significativamente mayores, superando las tecnologías actuales. Este nuevo enfoque utiliza protocolos de encriptación innovadores aplicados a pequeños materiales de ingeniería llamados puntos cuánticos para enviar información encriptada de forma segura, incluso con fuentes de luz imperfectas.
La investigación, dirigida por los estudiantes de doctorado Yuval Bloom y Yoad Ordan, bajo la dirección del profesor Ronen Rapaport del Instituto de Física Racah de la Universidad Hebrea en colaboración con investigadores de los Laboratorios Nacionales de Los Álamos, presenta un nuevo enfoque práctico que mejora significativamente la forma en que enviamos información cifrada cuántica utilizando partículas de luz, incluso cuando usamos partículas imperfectas equipo.
Descifrando un desafío de 40 años en la comunicación cuántica
Durante cuatro décadas, el santo grial de la distribución de clave cuántica (QKD) -la ciencia de crear encriptación irrompible usando la mecánica cuántica- se ha basado en un requisito esquivo: fuentes de un solo fotón perfectamente diseñadas. Se trata de pequeñas fuentes de luz que pueden emitir una partícula de luz (fotón) a la vez. Pero en la práctica, construir estos dispositivos con absoluta precisión ha resultado ser extremadamente difícil y costoso.
Para sortear esto, el campo se ha basado en gran medida en los láseres, que son más fáciles de producir, pero no ideales. Estos láseres envían pulsos débiles de luz que contienen un número pequeño pero impredecible de fotones, un compromiso que limita tanto la seguridad como la distancia a la que los datos pueden ser transmitidos de forma segura, ya que un espía astuto puede “robar” los bits de información que están codificados simultáneamente en más de un fotón.
Una mejor manera con herramientas imperfectas
Yuval Bloom, Yoad Ordan, y su equipo le dieron un giro al asunto. En lugar de esperar por fuentes de fotones perfectas, desarrollaron dos nuevos protocolos que funcionan con lo que ya existe: fuentes de fotones sub-Poissonianas basadas en puntos cuánticos, que son diminutas partículas semiconductoras que se comportan como átomos artificiales.
Al diseñar dinámicamente el comportamiento óptico de estos puntos cuánticos y combinarlos con nanoantenas, el equipo pudo ajustar la forma en que se emiten los fotones. Este ajuste fino les permitió sugerir y demostrar dos estrategias de encriptación avanzadas:
- Un protocolo de estado señuelo truncado: una nueva versión de un enfoque de encriptación cuántica ampliamente utilizado, adaptado para fuentes de fotones individuales imperfectas, que elimina los posibles intentos de hackeo debido a eventos de múltiples fotones.
- Un protocolo de purificación anunciada: un nuevo método que mejora drásticamente la seguridad de la señal al “filtrar” los fotones en exceso en tiempo real, asegurando que solo se registren los verdaderos bits de un solo fotón.
En simulaciones y experimentos de laboratorio, estas técnicas superaron incluso las mejores versiones de los métodos tradicionales de QKD basados en láser, extendiendo la distancia a la que se puede intercambiar una clave segura en más de 3 decibelios, un avance sustancial en el campo.
Una prueba en el mundo real y un paso hacia redes cuánticas prácticas
Para demostrar que no era solo teoría, el equipo construyó una configuración de comunicación cuántica en el mundo real utilizando una fuente de puntos cuánticos a temperatura ambiente. Ejecutaron su nueva versión reforzada del conocido protocolo de encriptación BB84 -la base de muchos sistemas de distribución de clave cuántica- y demostraron que su enfoque no solo era factible, sino también superior a las tecnologías existentes.
Además, su enfoque es compatible con una amplia gama de fuentes de luz cuántica, lo que podría reducir el costo y las barreras técnicas para implementar la comunicación cuántica segura a gran escala.
“Este es un paso significativo hacia una encriptación cuántica práctica y accesible”, dijo el profesor Rapaport. “Demuestra que no necesitamos un hardware perfecto para obtener un rendimiento excepcional, solo necesitamos ser más inteligentes sobre cómo usamos lo que tenemos”.
El coautor principal, Yuval Bloom, agregó: “Esperamos que este trabajo ayude a abrir la puerta a redes cuánticas del mundo real que sean seguras y asequibles. Lo genial es que no tenemos que esperar, se puede implementar con lo que ya tenemos en muchos laboratorios de todo el mundo”.
El documento de investigación titulado “Decoy state and purification protocols for superior quantum key distribution with imperfect quantum-dot based single photon sources: Theory and Experiment”, ya está disponible en PRX Quantum.
Investigadores:
Yuval Bloom, Yoad Ordan, Tamar Levin, Kfir Sulimany, Eric G. Bowes, Jennifer A. Hollingsworth y Ronen Rapaport.
Instituto de Física Racah, Universidad Hebrea de Jerusalem.
