Un error simple puede debilitar la seguridad de la encriptación cuántica

La distribución de claves cuánticas (QKD) es un método innovador para proteger las comunicaciones utilizando las leyes de la mecánica cuántica. Este sistema permite a dos partes crear una clave secreta compartida, incluso si alguien está monitoreando la conexión de forma encubierta. La fortaleza de la QKD radica en la física misma, ya que cualquier intento de interceptar las señales cuánticas las altera, generando errores detectables que alertan a los usuarios sobre la posible escucha.

Gracias a esta característica de detección incorporada, la QKD es considerada una de las tecnologías de comunicación más seguras en desarrollo. Sin embargo, un factor crítico que influye en su rendimiento es el error de alineación, que ocurre cuando el transmisor y el receptor no están perfectamente alineados. Incluso una ligera desalineación puede interferir con las señales cuánticas intercambiadas. Este problema puede surgir por diversas razones, como vibraciones mecánicas, turbulencias atmosféricas y/o imperfecciones en los sistemas de alineación.

A pesar de que el error de alineación desempeña un papel importante en la fiabilidad del sistema, no ha sido estudiado a fondo en los sistemas de comunicación óptica inalámbrica (OWC) de QKD. Para abordar esta cuestión, un equipo de investigadores publicó un estudio en el IEEE Journal of Quantum Electronics que introduce un modelo analítico detallado para medir cómo el error de alineación afecta el rendimiento del sistema OWC de QKD.

El profesor Yalçin Ata de la Universidad Técnica OSTIM en Turquía, explicó: "Al combinar modelos estadísticos de desalineación de haz con la teoría de detección de fotones cuánticos, derivamos expresiones analíticas para indicadores de rendimiento clave de los sistemas QKD, aclarando el papel exacto del error de alineación en la degradación de la generación de claves seguras".

El equipo se centró en el protocolo de QKD BB84, ampliamente utilizado. Para modelar la desalineación del haz de manera más realista, aplicaron distribuciones de Rayleigh y Hoyt. Estas herramientas estadísticas representan con mayor precisión las variaciones horizontales y verticales del haz en comparación con enfoques simplificados utilizados en estudios anteriores, lo que lleva a una comprensión más clara del comportamiento de los errores aleatorios de alineación.

Utilizando estos modelos estadísticos mejorados, los investigadores derivaron expresiones analíticas para las tasas de error y las probabilidades de selección bajo error de alineación, marcando un hito en el campo. A partir de ahí, calcularon la tasa de error de bits cuánticos (QBER), que refleja el porcentaje de bits corruptos causados por el ruido del sistema, condiciones ambientales, imperfecciones del hardware o intentos de escucha. Debido a que captura la fiabilidad general del sistema, la QBER es un indicador clave de rendimiento.

Luego utilizaron la QBER para determinar la tasa de clave secreta (SKR), que mide qué tan rápido se pueden generar claves compartidas seguras. El análisis consideró tanto la desalineación simétrica del haz como las condiciones asimétricas, donde las desviaciones horizontales y verticales difieren.

Los hallazgos revelaron que a medida que aumenta el diámetro del haz, también crece el error de alineación, lo que lleva a un aumento en la QBER y una disminución en la SKR. En otras palabras, el rendimiento disminuye a medida que la desalineación se hace más pronunciada. Ampliar la apertura del receptor puede mejorar los resultados, pero solo hasta cierto límite.

Curiosamente, la desalineación asimétrica del haz demostró ser beneficiosa en algunos casos, ofreciendo un mejor rendimiento que errores perfectamente equilibrados. Los investigadores también determinaron que generar una SKR no nula, que es esencial para la comunicación segura, requiere aumentar el número promedio de fotones transmitidos.

El profesor Ata concluyó: "Nuestros hallazgos, basados en el marco de Rayleigh y Hoyt, son consistentes con modelos generalizados existentes, mientras que ofrecen una nueva claridad analítica sobre el papel de la asimetría en los errores de alineación".