Un truco de luz de 200 años revoluciona la encriptación cuántica

A medida que la comunicación digital avanza y las amenazas cibernéticas aumentan, los investigadores buscan desarrollar formas más seguras de transmitir información. Una de las metodologías más prometedoras es la criptografía cuántica, que utiliza fotones individuales para generar claves de encriptación. Un equipo de investigación de la Universidad de Varsovia ha creado y probado un nuevo sistema de distribución de claves cuánticas (QKD) dentro de las redes de fibra existentes en la ciudad. Su enfoque utiliza codificación de alta dimensión y se basa en un fenómeno óptico conocido como el efecto Talbot. Los hallazgos fueron publicados en Optica Quantum, Optica y Physical Review Applied.

El Dr. Michal Karpinski, jefe del Laboratorio de Fotónica Cuántica de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, explicó: "Nuestra investigación se centra en la distribución de claves cuánticas (QKD), una tecnología que utiliza fotones individuales para establecer una clave criptográfica segura entre dos partes. Tradicionalmente, la QKD emplea qubits, las unidades más simples de información cuántica. Aunque este método ha sido probado, no siempre cumple con los requisitos de aplicaciones más exigentes. Por eso, los investigadores están trabajando en la codificación multidimensional, utilizando estados cuánticos más complejos que pueden asumir múltiples valores en lugar de los qubits, que ofrecen uno de dos resultados de medición".

En el laboratorio, los científicos estudiaron superposiciones de tiempo de fotones, donde un fotón no es simplemente detectado como si llegara "temprano" o "tarde", sino que existe como una combinación de ambas posibilidades. El tiempo de detección exacto es aleatorio, y la información se codifica en la relación de fase entre estos pulsos de luz.

El equipo aplicó el efecto Talbot, un fenómeno de óptica clásica descrito por primera vez en 1836 por Henry Fox Talbot. Este efecto ocurre cuando la luz pasa a través de una rejilla de difracción, haciendo que su imagen se repita a intervalos regulares, como si "reviviera" a cierta distancia. Curiosamente, el mismo efecto se produce no solo en el espacio, sino también en el tiempo, siempre que una serie regular de pulsos de luz se propague en un medio dispersivo como una fibra óptica.

Al aplicar este efecto a secuencias de pulsos de luz, incluyendo fotones individuales, los investigadores crearon un sistema en el que las señales pueden reconstruirse eficazmente a lo largo del tiempo a medida que viajan a través de la fibra óptica. La forma en que estos pulsos se superponen e interfieren depende de su fase, lo que permite identificar y medir diferentes estados cuánticos.

El equipo desarrolló un sistema experimental de QKD capaz de operar en cuatro dimensiones. Según Adam Widomski, un estudiante de doctorado de la Facultad de Física, "lo importante es que todo el sistema se construye utilizando componentes comercialmente disponibles. El truco clave es que el sistema requiere solo un detector de fotones para registrar superposiciones de muchos pulsos, en lugar de una red compleja de interferómetros, lo que reduce significativamente tanto el costo como la complejidad técnica".

Este diseño elimina la necesidad de calibraciones frecuentes y precisas del receptor, que son un desafío importante en los sistemas tradicionales. "Tradicionalmente, para detectar diferencias de fase entre pulsos, utilizamos un sistema de múltiples interferómetros, algo así como un árbol donde los pulsos se dividen y retrasan. Desafortunadamente, tales sistemas son ineficientes, ya que algunos resultados de medición son inútiles. La eficiencia disminuye con el número de pulsos, y el receptor requiere calibración y estabilización precisas", explicó Ogrodnik.

El sistema fue probado tanto en configuraciones de fibra en laboratorio como en la red de fibra existente de la Universidad de Varsovia a lo largo de varios kilómetros. "Gracias al nuevo método que utiliza el efecto Talbot temporal, demostramos con éxito la QKD con codificación de dos y cuatro dimensiones, utilizando el mismo transmisor y receptor. A pesar de los errores inherentes al enfoque experimental simple, nuestros resultados confirman la mayor eficiencia informativa del sistema resultante de la codificación de alta dimensión", comentó Widomski.

La distribución de claves cuánticas es valorada por su seguridad demostrable bajo ciertas suposiciones. Para garantizar la robustez de su enfoque, el equipo colaboró con expertos en Italia y Alemania que se especializan en el análisis de seguridad de QKD. "Un análisis más cercano muestra que la descripción estándar de muchos protocolos de QKD es incompleta, lo que podría ser explotado por atacantes. Desafortunadamente, nuestro método comparte esta vulnerabilidad. Participamos en esfuerzos para resolver este problema. Nuestros colaboradores encontraron que una cierta modificación del receptor permite recopilar más datos, eliminando así la vulnerabilidad. La prueba de seguridad del nuevo protocolo fue publicada en Physical Review Applied y en nuestro último artículo discutimos su aplicación a nuestro experimento", concluyó Ogrodnik.

Más allá de demostrar un nuevo método de comunicación, el proyecto fortaleció la experiencia en fotónica cuántica avanzada en la Universidad de Varsovia. El trabajo se llevó a cabo bajo el programa internacional QuantERA sobre tecnologías cuánticas, coordinado por el Centro Nacional de Ciencia (NCN, Polonia). Los investigadores también utilizaron instalaciones en el Laboratorio Nacional de Fotónica y Tecnologías Cuánticas (NLPQT) de la Facultad de Física, Universidad de Varsovia.

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