Distribució de Claus Quàntica: nous avenços en seguretat i practicitat
La distribució de claus quàntica (QKD, per les seves sigles en anglès) és un mètode mitjançant el qual dues parts, Alice i Bob, poden generar una clau secreta compartida que és segura contra intercepcions, basant-se en els principis de la física quàntica. Investigacions recents a l'ICFO s'han centrat en la QKD de variables contínues (CV-QKD), que utilitza components òptics fàcilment disponibles i la infraestructura de telecomunicacions ja existent.
La CV-QKD presenta avantatges respecte a la QKD de variables discretes (DV-QKD), com ara una implementació més senzilla i assequible, a més de ser escalable, especialment per a distàncies metropolitanes. No obstant això, les proves de seguretat per a la CV-QKD han estat majoritàriament limitades a la modulació gaussiana, la implementació de la qual és complexa. La CV-QKD de modulació discreta (DM CV-QKD), en què Alice utilitza un petit conjunt d'estats coherents, és més pràctica, però encara no compta amb una anàlisi de seguretat sòlida.
En la seva publicació, els investigadors de l'ICFO Carlos Pascual-García, el Dr. Stefan Bäuml i el Dr. Rotem Liss, liderats pel Prof. ICREA Antonio Acín, en col·laboració amb la Universitat de Valladolid, aborden aquest repte proporcionant una prova de seguretat per a un protocol de DM CV-QKD que utilitza quatre estats coherents i mesures heterodines. Aquest protocol empra un teorema generalitzat d'acumulació d'entropia (GEAT, per les seves sigles en anglès) per establir seguretat contra atacs generals. El GEAT és un formalisme que permet una interpretació quantitativa de processos seqüencials, com ara una sèrie de rondes en un protocol QKD. Aquest enfocament, presentat a Physical Review A, permet establir un límit inferior en la quantitat de clau que Alice i Bob poden obtenir, fins i tot en presència d'un adversari amb recursos quàntics il·limitats.
Aquesta nova prova de seguretat es veu reforçada per un algoritme numèric basat en optimització cònica. Aquest mètode permet una avaluació ràpida i fiable de la seguretat del protocol, proporcionant estimacions de claus secretes sota demanda. A més, l’ús del GEAT va permetre als investigadors evitar la tomografia virtual requerida en treballs anteriors, cosa que simplifica la prova de seguretat i millora les taxes de claus secretes en escenaris de mida finita. En particular, l'estudi va demostrar que és possible assolir taxes de clau positives per a blocs d'aproximadament 10⁸ senyals làser en distàncies metropolitanes. Això representa una millora significativa en comparació amb resultats previs, que requerien blocs de 10¹¹ senyals o més, així com metodologies numèriques més complexes.
Aquests descobriments tenen diverses implicacions importants, inclosa la reducció de la mida del bloc requerit per generar taxes de clau secreta significatives, així com el desenvolupament d’eines numèriques per a implementacions pràctiques. Els resultats demostren que és possible assolir els estàndards més alts de seguretat en QKD en condicions experimentalment accessibles.
Els investigadors assenyalen certes limitacions relacionades amb el GEAT, com ara restriccions en la freqüència de generació de senyals, que seran abordades en futures investigacions mitjançant l’ús del recent teorema d'acumulació d'entropia marginal. Així mateix, els treballs futurs exploraran tècniques de seguretat més avançades basades en les entropies de Rényi, que permeten majors taxes de generació de claus secretes. Els descobriments de l'estudi representen un avenç significatiu en el desenvolupament de sistemes de CV-QKD pràctics i segurs, amb implicacions importants per al futur de les xarxes de comunicació quàntica segura.
Referència:
Improved finite-size key rates for discrete-modulated continuous-variable quantum key distribution under coherent attacks. Carlos Pascual-García, Stefan Bäuml, Mateus Araújo, Rotem Liss, and Antonio Acín. Phys. Rev. A 111, 022610 (2025)
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.111.022610
Agraïments:
C.P.G thanks Marco Túlio Quintino for fruitful indications about numerical precision, and Yoann Piétri for suggestions about experimental aspects of CVQKD. We further thank Omar Fawzi, Min-Hsiu Hsieh, Lars Kamin, Florian Kanitschar, Bill Munro, Mizanur Rahaman, Gelo Noel Tabia, Ernest Tan, Toshihiko Sasaki and Shin-Ichiro Yamano for insightful discussions. This work was supported by the ERC (AdG CERQUTE, grant agreement No. 834266), the AXA Chair in Quantum Information Science, Gobierno de España (Severo Ochoa CEX2019-000910-S, NextGen Quantum Communications and FUNQIP), Fundació Cellex, Fundació Mir-Puig, the EU (QSNP and Quantera Veriqtas), the Generalitat de Catalunya (CERCA program and the postdoctoral fellowship programme Beatriu de Pinós), European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No. 801370 (2019 BP 00097) within the Marie Sklodowska-Curie Programme. The research of M.A. was supported by the European Union– Next Generation UE/MICIU/Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia/Junta de Castilla y León, and by the Spanish Agencia Estatal de Investigación, Grant No. RYC2023-044074-I.