Por primera vez, los investigadores han enviado un mensaje de seguridad cuántica que contiene más de un bit de información por fotón a través del aire sobre una ciudad. La demostración mostró que algún día podría ser práctico usar espacio libre de alta capacidadcomunicación cuántica para crear un enlace altamente seguro entre redes terrestres y satélites, un requisito para crear una red global de cifrado cuántico.
La encriptación cuántica usa fotones para codificar información en forma de bits cuánticos. En su forma más simple, conocida como encriptación 2D, cada fotón codifica un bit: uno o cero. Los científicos han demostrado que un solo fotón puede codificar aún másinformación, un concepto conocido como encriptación cuántica de alta dimensión, pero hasta ahora esto nunca se ha demostrado con la comunicación óptica de espacio libre en condiciones reales. Con ocho bits necesarios para codificar una sola letra, por ejemplo, empaquetar más informaciónen cada fotón aceleraría significativamente la transmisión de datos.
"Nuestro trabajo es el primero en enviar mensajes de manera segura utilizando encriptación cuántica de alta dimensión en condiciones realistas de la ciudad, incluida la turbulencia", dijo el jefe del equipo de investigación, Ebrahim Karimi, Universidad de Ottawa, Canadá. "El esquema de comunicación espacial que demostramos podría potencialmente conectar la Tierra con los satélites, conectar de forma segura lugares donde es demasiado costoso instalar fibra o ser utilizado para la comunicación encriptada con un objeto en movimiento, como un avión ".
Como se detalla en óptica , el diario de la Sociedad Óptica para la investigación de alto impacto, los investigadores demostraron el cifrado cuántico 4D sobre una red óptica de espacio libre que abarca dos edificios separados 0.3 kilómetros en la Universidad de Ottawa. Este esquema de cifrado de alta dimensión se conoce como 4D porque cada unoEl fotón codifica dos bits de información, lo que proporciona las cuatro posibilidades de 01, 10, 00 u 11.
Además de enviar más información por fotón, el cifrado cuántico de alta dimensión también puede tolerar más ruido que oscurece la señal antes de que la transmisión se vuelva insegura. El ruido puede surgir del aire turbulento, fallas electrónicas, detectores que no funcionan correctamente y de intentospara interceptar los datos. "Este umbral de ruido más alto significa que cuando falla la encriptación cuántica 2D, puede intentar implementar 4D porque, en principio, es más seguro y más resistente al ruido", dijo Karimi.
Usando la luz para el cifrado
Hoy en día, los algoritmos matemáticos se utilizan para cifrar mensajes de texto, transacciones bancarias e información de salud. Interceptar estos mensajes cifrados requiere descubrir el algoritmo exacto utilizado para cifrar un dato dado, una hazaña que es difícil ahora pero que se espera que se conviertamás fácil en la próxima década más o menos a medida que las computadoras se vuelven más poderosas.
Dada la expectativa de que los algoritmos actuales pueden no funcionar tan bien en el futuro, se está prestando más atención a técnicas de cifrado más fuertes, como la distribución de claves cuánticas, que utiliza propiedades de partículas de luz conocidas como estados cuánticos para codificar y enviar la clave necesaria paradescifrar datos codificados
Aunque el cifrado cuántico por cable y en espacio libre se ha implementado en algunas redes locales pequeñas, su implementación a nivel mundial requerirá el envío de mensajes cifrados entre estaciones terrestres y las redes de comunicación cuántica basadas en satélites que unirían ciudades y países. Pruebas horizontalesa través del aire puede usarse para simular el envío de señales a los satélites, con aproximadamente tres kilómetros horizontales que son aproximadamente iguales a enviar la señal a través de la atmósfera de la Tierra a un satélite.
Antes de intentar una prueba de tres kilómetros, los investigadores querían ver si era posible realizar un cifrado cuántico 4D en el exterior. Se pensó que era tan difícil que otros científicos en el campo dijeron que el experimento no funcionaría. UnoUno de los principales problemas que se enfrentan durante cualquier experimento de espacio libre es tratar con la turbulencia del aire, que distorsiona la señal óptica.
pruebas del mundo real
Para las pruebas, los investigadores llevaron sus configuraciones ópticas de laboratorio a dos tejados diferentes y las cubrieron con cajas de madera para proporcionar cierta protección contra los elementos. Después de mucho ensayo y error, enviaron con éxito mensajes asegurados con cifrado cuántico 4D a través de su enlace intraurbanoLos mensajes exhibieron una tasa de error del 11 por ciento, por debajo del umbral del 19 por ciento necesario para mantener una conexión segura. También compararon el cifrado 4D con 2D, descubriendo que, después de la corrección de errores, podían transmitir 1,6 veces más información por fotón con 4D cuánticacifrado, incluso con turbulencia.
"Después de llevar el equipo que normalmente se usaría en un entorno de laboratorio limpio y aislado a una azotea que está expuesta a los elementos y no tiene aislamiento de vibraciones, fue muy gratificante ver resultados que mostraban que podíamos transmitir datos seguros", dijoAlicia Sit, una estudiante de pregrado en el laboratorio de Karimi.
Como siguiente paso, los investigadores planean implementar su esquema en una red que incluye tres enlaces que están separados por aproximadamente 5,6 kilómetros y que utiliza una tecnología conocida como óptica adaptativa para compensar la turbulencia. Eventualmente, quieren vincular estored a uno que existe ahora en la ciudad. "Nuestro objetivo a largo plazo es implementar una red de comunicación cuántica con múltiples enlaces pero utilizando más de cuatro dimensiones al tratar de sortear la turbulencia", dijo Sit.
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Materiales proporcionado por La sociedad óptica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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