Cada vez máis grupos de investigación céntranse na seguridade das futuras comunicacións por satélite. Este é o caso da tecnoloxía galega desenvolvida polo grupo Quantum Communication Theory do Vigo Quantum Communication Center, onde Víctor Zapatero traballa como investigador posdoutoral. Este equipo, integrado no Centro de Investigación en Tecnoloxías de Telecomunicación da Universidade de Vigo, atlanTTic (cofinanciado con fondos FEDER), foi recoñecido polo seu traballo coa técnica de distribución cuántica de claves, recibindo o galardón na categoría de Ciencias Técnicas nos Premios de Investigación Fundación Barrié-RAGC.
—En que consiste esta tecnoloxía segura para as comunicacións cuánticas por satélite?
—A tecnoloxía na que traballamos chámase distribución cuántica de claves (QKD, polas súas siglas en inglés). Esta técnica permite que dous usuarios compartan unha clave secreta, que se pode utilizar despois para encriptar mensaxes ou outras aplicacións. Con todo, o noso enfoque principal é lograr que estes dous usuarios compartan unha clave, e facémolo usando a mecánica cuántica.
A diferenza da física cotiá, a mecánica cuántica, que describe a física en escalas moi pequenas, ten propiedades diferentes, como que a información non se pode copiar. Por tanto, o fundamento básico de QKD é codificar os bits da clave en sistemas cuánticos que teñen esta fraxilidade particular e que non permiten que se copie a información.
Os dispositivos utilizados nesta tecnoloxía son ópticos, e a unidade fundamental de información cuántica codifícase en fotóns, que son os “paquetes” individuais de luz. A luz viaxa en paquetes discretos, e o fotón é o máis pequeno deles. Nestes fotóns é onde imos codificar os bits da clave (ceros e uns). Con todo, manipular fotóns individuais é moi difícil, porque require o control preciso a escalas moi pequenas.
A información clásica pódese copiar, a información cuántica non; esa é a enorme vantaxe
Os sistemas estándar de distribución de claves son activos. Isto significa que para codificar os bits da clave utilízase un xerador de números aleatorios e un modulador óptico, que supoñen un gran custo. Ademais, este enfoque presenta dúas desvantaxes. A primeira é a dificultade técnica: eu non son experimentalista, pero para quen monta estes equipos de distribución de claves, a electrónica que controla o xerador de números aleatorios e os moduladores é difícil de implementar. A segunda é a seguridade, xa que os moduladores adoitan ser a diana dos ataques de quantum hacking que se propoñen para romper a seguridade destes sistemas.
En contraste, a nosa investigación céntrase nos sistemas pasivos de QKD. Trátase dun sistema que non usa moduladores nin xeradores de números aleatorios. Esencialmente é moito máis sinxelo. No seu lugar, baséase nun mecanismo fixo de interferencia cuántica no que a electrónica se ve drasticamente simplificada, que xera de forma xenuinamente aleatoria os bits da clave.
Entón, canto máis se poida simplificar un dispositivo na aplicación de telecomunicacións por satélite, mellor. Por iso, a variante pasiva de QKD é prometedora. Antes de realizar este traballo, víao en todos os estudos que citaban o QKD pasivo e mencionábano como prometedor para a tecnoloxía por satélite. Non sabía por que era isto e recentemente o entendido. A clave está na simplificación drástica, e ese é o obxectivo.
—Para aqueles que non están familiarizados co concepto, podería explicar brevemente que é a criptografía cuántica e por que é importante para a seguridade das comunicacións?
—A criptografía cuántica ten a propiedade exclusiva que non está presente en ningunha das nosas telecomunicacións convencionais: o principio de non clonación. Isto significa que un terceiro non pode acceder á información sen modificala de forma detectable polos usuarios lexítimos.
Desde un punto de vista técnico, esta propiedade coñécese como information-theoretic security, un estándar de seguridade que é imposible para as nosas comunicacións. Adóitaselle denominar “seguridade incondicional”, aínda que este termo pode ser un pouco abusivo. Cando envías un correo electrónico, fax ou chamada telefónica, se alguén intercepta a mensaxe, os usuarios non poderán sabelo. A información clásica pódese copiar, a información cuántica non; esa é a enorme vantaxe.
Por esta razón, a distribución segura de claves non pode lograr cunha comunicación convencional, pero si é posible cunha comunicación cuántica. Esta tarefa de distribución de claves só se pode facer con este estándar de seguridade incondicional usando criptografía cuántica.
—Entón, dentro das vantaxes da variante proposta, destacaría a simplificación.
—Si, os sistemas activos xa eran sistemas cuánticos e xa tiñan esta propiedade, pero a variante pasiva é moito máis sinxela. No caso da súa implementación en satélites, isto supón unha mellora brutal. Canto máis simple sexa a tecnoloxía, máis fácil será integrala e é máis barato.
Outra vantaxe clave é a seguridade. Hai moitos tipos de fugas de información do sistema ou vulnerabilidades, que están relacionadas cos moduladores. Un sistema pasivo omite estes compoñentes e elimina tamén, por deseño, todas estas ameazas.
—A proposta é máis sinxela e económica. Que desafíos superaron para acadar esta simplificación sen comprometer a eficiencia na seguridade?
—Nós formamos parte do grupo de teoría. Isto fixémolo Marcos Curty e eu, xunto a outro investigador de Hong Kong, pero somos teóricos, non construímos o dispositivo. Antes do seu desenvolvemento experimental, hai que deseñalo e analizar a súa seguridade teórica.
Marcos foi quen propuxo o esquema, que se basea en combinar enxeñosamente dúas solucións a dous problemas anteriores. Os obstáculos cos que nos atopamos foron de tipo teórico, é dicir, queriamos deseñar un sistema pasivo para un protocolo específico de distribución de claves. Este protocolo require xerar de forma aleatoria a polarización da luz, que é un grao de liberdade dos fotóns, e a intensidade, que é outro grao de liberdade.
Os desafíos foron principalmente matemáticos
Con todo, o problema técnico é que o dispositivo de interferencia que deseñamos xera estes dous parámetros de maneira correlacionada en lugar de independente. O maior obstáculo foi ver se isto invalidaba unha análise matemática da seguridade do dispositivo. Afortunadamente, non é o caso.
Outro obstáculo previo foi determinar a distribución de saída do dispositivo. Traballamos con dous graos de liberdade, que son variables aleatorias, e un necesita saber que distribución de probabilidade ten, algo que non resultaba evidente de inmediato. Como ves, os desafíos foron principalmente matemáticos.
—A fraxilidade práctica foi unha preocupación na implementación da distribución cuántica de claves en aplicacións reais?
—Cando falo de fraxilidade práctica refírome a que a distribución cuántica de claves é moi esixente sobre os dispositivos. Esta tecnoloxía baséase nun protocolo con grandes esixencias. Nun mundo ideal, gustaríanos contar cunha fonte que xere fotóns individuais baixo demanda. Pero iso non pasa, senón que se xeran de forma probabilística, o que significa que se producen dúas, tres ou máis. Gustaríache telos individuais, pero non podes. Este tipo de limitacións é o que chamo fraxilidade.
A seguridade matemática de QKD depende dunhas premisas. Se non se cumpren, a garantía de seguridade desaparece. Por iso, débense facer demostracións de seguridade que sexan robustas fronte a imperfeccións, de modo que aínda que non dispoñas de dispositivos ideais poidas estar seguro de que seguen sendo funcionais e seguros.
O noso traballo non achega unha solución definitiva, pois ten as mesmas limitacións que os dispositivos activos. O que si eliminamos é un enorme quebradizo de cabeza: os moduladores. Cambiamos unha tecnoloxía moi sofisticada por outra máis sinxela. E quero pensar que, canto máis simple sexa a tecnoloxía, máis fácil será de modelizar e cinguirse ao que a teoría esixe.
O noso traballo elimina un enorme quebradizo de cabeza: os moduladores
—A variante probouse en experimentos reais. En que consistiron?
—Uns meses despois de deseñar o prototipo para Passive QKD contactounos un grupo da Universidade de Ciencia e Tecnoloxía de China. Eles estaban interesados en implementalo. A partir dese momento, traballamos en coordinación con eles.
Tiñan as ferramentas para construír o dispositivo, o máis custoso do proceso, pero non tiñan as condicións para realizar unha análise matemática rigorosa coa fin de avaliar a seguridade e cuantificar a clave secreta.
O seu experimento consistiu en construír un dispositivo, e con el, distribuír unha clave. Cos resultados obtidos dese experimento, nós vemos cales son as prestacións. Por exemplo, cantos bits de clave secreta podían xerarse por segundo e a que distancia levaron a cabo o experimento co seu transmisor, que nós deseñamos e eles construíron, e o seu receptor, que é o de toda a vida neste tipo de protocolos. Eles levaron a cabo o experimento e nós realizamos a análise cuantitativa para determinar as prestacións do seu experimento.
—No contexto das comunicacións cuánticas por satélite, como se integra a súa tecnoloxía e que papel podería desempeñar no futuro destas comunicacións?
—Quero pensar que pode xogar un papel protagonista. É o que lía unha e outra vez nos artigos científicos que falaban desta variante. Nun satélite, o ideal é que a tecnoloxía sexa o máis simple posible.
Non son un experto en telecomunicacións, nin de comunicacións por satélite, pero se podes substituír un dispositivo activo, que vai dar moitos problemas. por outro pasivo baseado nun mecanismo fixo, a electrónica e o control son máis sinxelos.
A variante pasiva emprega compoñentes comúns coas comunicacións ópticas estándar
A xente quere facer comunicacións cuánticas por satélite, aínda que supoñen un desafío por mor do seu alto custo fronte ás comunicacións estándar. Con todo, se tes unha variante que simplifica tanto que os prezos son máis baixos e produtos máis accesibles, convértese nunha opción moi atractiva.
O interesante da variante pasiva é que emprega compoñentes comúns coas comunicacións ópticas estándar. Noutras palabras, estás a cambiar esta tecnoloxía nova que hai que construír desde cero por outra que coñeces ben e que xa está integrada nas nosas telecomunicacións, máis barata e sinxela. Creo que iso é un filón para as comunicacións por satélite, xa que permite substituír unha tecnoloxía nova e moi sofisticada por unha sinxela e coñecida.
—Mirando cara ao futuro, esta investigación continuará con novas aplicacións potenciais?
—Eu creo que si. Nós no grupo xa fixemos dous traballos posteriores que son unha continuación deste, e que queren facer esta variante pasiva aínda máis práctica. Ademais, continúo vendo traballos sobre esta variante que consideran protocolos novos. Eu creo que vai cara a adiante e que se vai seguir investigando.
O máis importante agora é que os grupos experimentais, que son os que realmente constrúen os dispositivos, a adopten e queiran poñela a proba. Iso é o que pode facer que as industrias e empresas que queiran utilizar a criptografía cuántica se animen a implementala, considerando que a tecnoloxía xa ten un grao de madurez co que poden utilizala.
Isto é moi difícil de predicir, pero nos últimos anos vin moita iniciativa por investigar o QKD e as súas distintas variantes. Por iso, a miña visión é moi optimista sobre o seu futuro.
