Distribución Cuántica de Claves: nuevos avances en seguridad y practicidad
La distribución cuántica de claves (QKD, por sus siglas en inglés) es un método mediante el cual dos partes, Alice y Bob, pueden generar una clave secreta compartida que es segura contra intercepciones, basándose en los principios de la física cuántica. Investigaciones recientes en el ICFO se han centrado en la QKD de variables continuas (CV-QKD), la cual emplea componentes ópticos fácilmente disponibles y la infraestructura de telecomunicaciones ya existente.
La CV-QKD presenta ventajas sobre la QKD de variables discretas (DV-QKD), como una implementación más sencilla y asequible, además de ser escalable, especialmente para distancias metropolitanas. Sin embargo, las pruebas de seguridad para la CV-QKD han estado mayormente limitadas a la modulación gaussiana, cuya implementación resulta compleja. La CV-QKD de modulación discreta (DM CV-QKD), en la que Alice usa un pequeño conjunto de estados coherentes, es más práctica, pero ha carecido de un análisis de seguridad sólido.
En su publicación, los investigadores del ICFO Carlos Pascual-García, el Dr. Stefan Bäuml y el Dr. Rotem Liss, liderados por el Prof. ICREA Antonio Acín, en colaboración con la Universidad de Valladolid, abordan este desafío proporcionando una prueba de seguridad para un protocolo de DM CV-QKD que utiliza cuatro estados coherentes y mediciones heterodinas. Este protocolo emplea un teorema generalizado de acumulación de entropía (GEAT, por sus siglas en inglés) para establecer seguridad contra ataques generales. El GEAT es un formalismo que permite una interpretación cuantitativa de procesos secuenciales, como una serie de rondas en un protocolo QKD. Este enfoque, presentado en Physical Review A, permite establecer un límite inferior en la cantidad de clave que Alice y Bob pueden obtener, incluso en presencia de un adversario con recursos cuánticos ilimitados.
Esta nueva prueba de seguridad se ve reforzada por un algoritmo numérico basado en optimización cónica. Dicho método permite una evaluación rápida y confiable de la seguridad del protocolo, proporcionando estimaciones de claves secretas bajo demanda. Además, el uso del GEAT permitió a los investigadores evitar la tomografía virtual requerida en trabajos anteriores, lo que simplifica la prueba de seguridad y mejora las tasas de claves secretas en escenarios de tamaño finito. En particular, el estudio demostró que es posible alcanzar tasas de clave positivas para bloques de aproximadamente 10⁸ señales láser en distancias metropolitanas. Esto representa una mejora significativa en comparación con resultados previos, que requerían bloques de 10¹¹ señales o más, además de metodologías numéricas más complejas.
Estos hallazgos tienen varias implicaciones importantes, incluida la reducción del tamaño de bloque requerido para generar tasas de clave secreta significativas, así como el desarrollo de herramientas numéricas para implementaciones prácticas. Los resultados demuestran que es posible alcanzar los más altos estándares de seguridad en QKD bajo condiciones accesibles experimentalmente.
Los investigadores señalan ciertas limitaciones relacionadas con el GEAT, como restricciones en la frecuencia de generación de señales, que serán abordadas en futuras investigaciones mediante el uso del reciente teorema de acumulación de entropía marginal. Asimismo, los trabajos futuros explorarán técnicas de seguridad más avanzadas basadas en las entropías de Rényi, las cuales permiten mayores tasas de generación de claves secretas. Los hallazgos del estudio representan un avance significativo en el desarrollo de sistemas de CV-QKD prácticos y seguros, con importantes implicaciones para el futuro de las redes de comunicación cuántica seguras.
Referencia:
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
Agradecimientos:
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.