Descripció del projecte
El aumento en la seguridad de la comunicación de datos digitales es un problema a nivel mundial. Para comunicar datos digitales de forma segura en telecomunicaciones estos tienen que estar cifrados. El cifrado de datos requiere previamente el intercambio de claves secretas entre usuarios, lo que actualmente se realiza mediante algoritmos criptográficos (por ejemplo, RSA y Diffie-Hellman) basados en funciones matemáticas (factorización de números largos en factores primos, logaritmo discreto). Se espera que estos algoritmos criptográficos se vuelvan vulnerables cuando se disponga de un ordenador cuántico lo suficientemente avanzado. Grandes empresas, como IBM, Intel y Google, están poniendo un enorme esfuerzo e inversiones sustanciales en el desarrollo de un ordenador cuántico que pueda usarse para aplicaciones relevantes, y se espera que, dentro de los próximos 20 años, habrá sistemas capaces de descifrar los métodos criptográficos actuales. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de actualizar los métodos de seguridad actuales para que sean quantum-safe (es decir, seguros contra ordenadores cuánticos), y proteger así infraestructuras críticas, como las instalaciones gubernamentales, financieras y de atención médica.
Los sistemas quantum key distribution (QKD) proporcionan los niveles de seguridad más altos conocidos, ya que su seguridad se basa en propiedades de la física cuántica y no en algoritmos matemáticos. La seguridad de los sistemas QKD se considera quantum-safe, es decir, resistente a cualquier ataque acometido desde un ordenador cuántico o clásico. El uso de sistemas QKD de forma global mediante su despliegue en redes de telecomunicaciones de fibra óptica puede proporcionar el más elevado nivel de seguridad a la transmisión de datos digitales que se necesita en el futuro cercano.
Los sistemas QKD preparar estados cuánticos en forma de fotones con información aleatoria codificada y los transmiten por canales de fibra óptica que conectan lugares remotos que quieren establecer claves seguras. Existen principalmente dos variantes de tecnología QKD, de variable discreta (DV-QKD) que se basa en el uso de detectores de fotones individuales y QKD de variables continua (CV-QKD) que se basa en detección coherente. Ambas tecnologías tienen ventajas y desventajas, DV-QKD permite distancias mayores que CV-QKD (100km vs 40km). Sin embargo, CV-QKD puede ser usada en fibras que ya están siendo usadas para comunicación de datos (co-propagación), y el costo de sus componentes en mucho menor.
Una de las principales limitaciones de la tecnología QKD es que los sistemas no pueden tolerar perdidas de canal óptico elevadas, las cuales aumentan con la distancia de comunicación. Por ejemplo, los sistemas DV-QKD llegan hasta una distancia máxima de 120 km (24dB de perdida). Eso es debe a que las perdidas ópticas del canal (fibra) no permiten recuperar la información codificada en los estados cuánticos de forma precisa. La limitación de máxima perdidas de potencia óptica en QKD dificulta su uso en redes metropolitanes de largo alcance (por ejemplo links entre ciudades), o redes de acceso óptico pasivas de múltiples usuarios. Siendo estos dos escenarios relevantes para el despliegue de QKD a gran escala.
El objetivo de este proyecto de Doctorado es realizar investigación que permita mejorar la distancia máxima de sistemas QKD (>150 km) y la tolerancia a perdidas ópticas del canal, de modo de aumentar la aplicabilidad de la tecnología QKD y facilitar su despliegue en redes de telecomunicaciones reales.
Dentro de las actividades del proyecto se encuentra:
Estudios e implementación de protocolos de QKD en variable continua y discreta para largo alcance.
Optimización de sistemas QKD en variable continua para minimizar ruidos de canal y optimizar distancia de comunicación y tolerancia a perdidas.
Desarrollo e investigación en sistemas QKD en variable discreta para largo alcance (>150 Km)
Estudios de sinergia entre QKD de variable discreta y continua para cubrir casos de uso de redes de telecomunicaciones de corto y largo alcance, así como co-propagación.
Estudios de factibilidad de nuevas tecnologías (por ejemplo, memorias cuánticas, protocolos twin-field, etc) para extender la distancia de QKD en redes de telecomunicaciones actuales.
El proyecto involucra estudio de literatura científica y patentes en protocolos QKD, pruebas de seguridad e implementación, diseño de sistemas QKD y simulaciones, pruebas experimentales y desarrollo de sistemas, y análisis de resultados.
