Resumen de Design and implementation of a high-speed free-space quantum key distribution system for urban scenarios
La transmisión cuántica de clave (QKD del inglés Quantum Key Distribution) [Bennett et al., 1984], más conocida como criptografía cuántica, se ha convertido en un nuevo paradigma en la protección de datos. La seguridad de las comunicaciones de datos cifradas con claves intercambiadas con QKD recae en las leyes de la Mecánica Cuántica, en lugar de en una capacidad computacional limitada asumida para un posible atacante. QKD permite que dos partes compartan una clave criptográfica teniendo al Principio de Incertidumbre de Heisenberg y al teorema de No Cloning [Wootters et al., 1982] como principales aliados. La novedad de esta estrategia es que los usuarios legítimos pueden detectar la presencia de un intruso en el canal y por tanto certificar la seguridad de la transmisión.
Los principales trabajos sobre QKD en espacio libre se centraron inicialmente en conseguir largas distancias de transmisión con el objetivo de probar la viabilidad de las comunicaciones QKD vía satélite [Schmitt-Manderbach et al., 2007]. Sin embargo a cortas distancias (rango interurbano) los enlaces de QKD en espacio libre también encuentran una aplicación importante, ya que pueden en parte aliviar el problema del `cuello de botella¿ que afecta a la conectividad de las redes metropolitanas. Además, en general, la óptica en espacio libre (FSO del inglés Free Space Optics) tiene una ventaja considerable sobre la fibra óptica que radica en su flexibilidad de instalación y portabilidad.
A diferencia de la fibra óptica, que se convierte en un coste irrecuperable cuando el cliente abandona su ubicación, los enlaces FSO pueden ser trasladados como se requiera. QKD aplicada a enlaces aéreos cortos en zonas urbanas se convierte así en una alternativa interesante a la criptografía de clave pública actual, la cual está amenazada por la llegada del ordenador cuántico. En este contexto la QKD está orientada principalmente para su uso en instituciones de carácter financiero, gubernamental o militar situadas en una misma ciudad.
Sin embargo, para que la QKD pueda ser una alternativa realista necesita implementarse a alta velocidad de forma que las claves secretas sean generadas a altas velocidades y puedan ser utilizadas en tándem con el cifrado one-time pad [Vernam, 1926], que es el único cifrado `irrompible¿ que se ha propuesto hasta la fecha.
Por lo tanto, los principales objetivos de esta tesis han sido el diseño y la implementación de un sistema de QKD a alta velocidad en espacio libre.
Para conseguir QKD a alta velocidad hay que tener en cuenta diversas cuestiones.
La selección de la longitud de onda y los detectores es crítica, así como el diseño del transmisor y del receptor o el método de sincronizado. En comunicaciones ópticas en espacio libre se utilizan normalmente dos ventanas espectrales con baja absorción en las regiones de infrarrojo cercano, concretamente en las longitudes de onda de 850 nm y 1550 nm. Aunque la segunda tiene asociada una mayor transmisión y se ve menos afectada por las turbulencias y el backscattering, la tecnología de detección de fotones también debe ser considerada.
De hecho, aunque los detectores de fotones individuales de InGaAs han mejorado considerablemente su rendimiento mediante el incremento de su máxima frecuencia de operación (de MHz a GHz), todavía son superados por los diodos de avalancha de único fotón de Silicio (Si-SPADs) en parámetros críticos tales como cuentas oscuras, eficiencia de detección y probabilidad de afterpulsing. De la misma manera, los detectores de fotones individuales superconductores, aunque exhiben bajos jitters temporales y pocas cuentas oscuras a 850 nm [Clarke et al., 2011], presentan menores eficiencias que los Si-SPADs, además de tener que ser enfriados a temperaturas tan bajas como 3 K. Tras analizar los factores mencionados se optó por seleccionar una fuente de fotones a una longitud de onda de 850 nm y Si-SPADs como detectores de fotones individuales, por considerar esta combinación la opción más práctica para conseguir velocidades de GHz.
operar a altas velocidades de transmisión de datos es necesario considerar varios factores clave: una fuente de fotones que permita velocidades de GHz y muy alta precisión temporal, un receptor capaz de procesar grandes cantidades de datos a alta velocidad, y un mecanismo de sincronización que no disminuya la velocidad del protocolo QKD. Además, abordando factores críticos tales como una alta linealidad de los estados cuánticos de polarización y una eficiente reducción de la radiación ambiental que se cuela en el sistema, se consiguen tasas de error bajas, y por lo tanto altas velocidades de transmisión de clave segura. A continuación se proporciona un breve resumen de los contenidos de cada capítulo de esta tesis.
Contenido Los contenidos de esta tesis se han organizado de la siguiente manera.
En el Capítulo 2 se introduce el concepto de QKD. En primer lugar se describen los principales logros conseguidos en el campo de la criptografía a lo largo de la historia. A continuación se presenta el contexto de la criptografía previo al nacimiento de la QKD, señalando las vulnerabilidades de los algoritmos de cifrado clásicos que se utilizan actualmente. La QKD se presenta entonces como una posible solución frente a estas vulnerabilidades. También se describen los protocolos más representativos que implementan QKD y los componentes necesarios en un sistema de QKD. Finalmente se resumen los principales ataques a la QKD y se presenta una revisión de los sistemas experimentales de QKD en espacio libre implementados hasta la fecha.
El Capítulo 3 está dedicado a la descripción del módulo transmisor, diseñado e implementado para el sistema de QKD que se describe en esta tesis. Se describen además varios experimentos realizados para caracterizar el comportamiento del transmisor en función de las corrientes de control de los láseres (bias y modulación), así como el comportamiento espectral de éstos. Asimismo se describe la caracterización de la linealidad de los estados de polarización que codifican la secuencia binaria enviada por Alice, el método de sincronización temporal y las técnicas usadas para aislar el emisor de la radiación ambiental, entre otros. Este capítulo concluye con una descripción del equipo donde se montó el emisor.
El Capítulo 4 trata sobre el canal de transmisión. En él se resumen los diferentes procesos que afectan a la propagación de los fotones a través del espacio libre, tales como la absorción atmosférica, el scattering o la turbulencia.
También se estudia el efecto de la radiación ambiental que puede colarse en el sistema de QKD incrementando el error. Finalmente se describe la óptica en espacio libre utilizada en emisor y receptor para aumentar la eficiencia de la detección de la señal óptica en Bob, lo que se traduce en una mejora de la velocidad de trasmisión de clave.
El Capítulo 5 está dedicado a proporcionar una descripción detallada del módulo del receptor. En primer lugar se describe la configuración de esta unidad. Después se detallan los módulos utilizados para la detección de fotones individuales y para el procesamiento de los tiempos de llegada de éstos al receptor. También se presenta la caracterización y corrección llevadas a cabo en el receptor de los estados de polarización. Al final de este capítulo se describe la detección de la señal de sincronizado y las técnicas empleadas para el filtrado de la radiación ambiental.
En el Capítulo 6, se proporciona una descripción de los experimentos realizados para caracterizar el sistema de QKD completo y se presentan los resultados obtenidos para dos enlaces ópticos a diferentes distancias. También se describe el programa desarrollado para el cálculo del error de cada transmisión y para la corrección del desfase temporal entre las secuencias de emisor y receptor. Los experimentos llevados a cabo se diseñaron para determinar la frecuencia óptima del sistema así como el número medio de fotones por pulso para el que la tasa de transmisión de clave segura fuera máxima. También se caracterizó la influencia de la radiación ambiental, la estabilidad del sistema y la robustez del mismo frente a perturbaciones externas que pudieran afectar el alineamiento entre ambas estaciones. El capítulo finaliza con una estimación de la máxima distancia a la que el sistema puede operar, para varios regímenes de turbulencia.
Finalmente el Capítulo 7 resume las conclusiones de los capítulos anteriores y proporciona ideas sobre posibles modificaciones a realizar en el sistema de QKD presentado en esta tesis con el objetivo de mejorar su seguridad, velocidad de transmisión de clave segura y distancia de transmisión.
Referencias 1. C. H. Bennett and G. Brassard, ¿Quantum cryptography: public key distribution and coin tossing¿, in Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, India, pp. 175-179 (1984).
2. W. K. Wootters, and W. H. Zurek, ¿A single quantum cannot be cloned¿, Nature, 299, Page 802-803 (1982).
3. T. Schmitt-Manderbach et al., ¿Experimental demonstration of freespace decoy-state quantum key distribution over 144 km¿, Phys. Rev.
Lett. 98, 010504 (2007).
4. G. S. Vernam, ¿Cipher printing telegraph systems for secret wire and radio telegraphic communications¿, Journal of the American Institute of Electrical Engineers, 45, Page 109-115 (1926).
5. Z. L. Yuan, A. R. Dixon, J. F. Dynes, A. W. Sharpe, and A. J.
Shields, ¿Gigahertz quantum key distribution with InGaAs avalanche photodiodes¿, Appl. Phys. Lett. 92, 201104 (2008).
6. P. J. Clarke, R. J. Collins, P. A. Hiskett, M. J. García-Martínez, N. J.
Krichel, A. McCarthy, M. G. Tanner, J. A. O¿Connor, C. M. Natarajan, S. Miki, M. Sasaki, Z. Wang, M. Fujiwara, I. Rech, M. Ghioni, A. Gulinatti, R. H. Hadfield, P. D. Townsend, and G. S. Buller, ¿Analysis of detector performance in a gigahertz clock rate quantum key distribution system¿, New J. Phys. 13, 075008 (2011).
