New Photon Detector Accelerates Quantum Key Distribution

Reeditado por Platón

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Detector de fotones de nanocables — Concepto genial: el nuevo detector de fotón único utiliza múltiples nanocables superconductores. (Cortesía: M Perrenoud y G Resta/UNIGE)

Un detector de fotón único que podría aumentar el rendimiento de algunos sistemas criptográficos de distribución de clave cuántica (QKD) ha sido presentado por Hugo Zbinden y colegas de la Universidad de Ginebra y Identificación cuántica En Suiza. El dispositivo contiene 14 nanocables superconductores entrelazados, que comparten la tarea de detección de fotones.

Las computadoras cuánticas del futuro podrían descifrar los sistemas criptográficos convencionales. Sin embargo, los sistemas de criptografía cuántica deben permanecer seguros frente a los piratas informáticos, al menos en principio. Uno de estos sistemas es la distribución de claves cuánticas (QKD), que utiliza las leyes de la mecánica cuántica para garantizar que dos partes que se comunican puedan intercambiar claves criptográficas de forma segura.

QKD implica enviar y recibir cadenas de fotones en estados de polarización específicos. Si un espía intercepta esta comunicación, interrumpe la naturaleza cuántica de la información, alertando así a los corresponsales.

Frecuencias de reloj limitadas

Si bien los sistemas QKD comerciales ya se utilizan en algunas aplicaciones especializadas, el uso más generalizado de la tecnología está limitado por la "frecuencia de reloj" a la que se pueden crear, transmitir y detectar los fotones. “Las frecuencias de reloj de estos sistemas han aumentado continuamente durante los últimos 30 años”, dice Zbinden. "Pero en los sistemas modernos, la velocidad de los detectores y el posprocesamiento se convierten en el factor limitante para las altas tasas de claves secretas en QKD".

Estas tasas de clave controlan la velocidad a la que las partes que se comunican pueden intercambiar una clave cuántica segura. Las tasas de clave más altas permiten a los usuarios intercambiar más información, tanto de forma más segura como a mayor velocidad.

Los sistemas QKD actuales utilizan detectores de fotones únicos (SNSPD) de nanocables superconductores, que funcionan a temperaturas criogénicas. Una pequeña región del nanocable se calienta cuando absorbe un fotón, cambiando temporalmente de un superconductor a un material normal. Esto provoca un aumento en la resistencia eléctrica del nanocable, que se detecta. Una vez que se absorbe el fotón, el nanocable debe enfriarse antes de que pueda detectar el siguiente fotón, y este tiempo de recuperación pone un límite a la rapidez con la que puede funcionar un SNSPD.

Simple pero sofisticado

En su estudio, el equipo de Zbinden implementó una solución simple pero efectiva para este problema. “El diseño novedoso de los SNSPD consiste en 14 nanocables, que están entrelazados de tal manera que todos están igualmente iluminados por la luz que sale de la fibra óptica”, explica Fadri Grünenfelder, colega de Zbinden en la Universidad de Ginebra. “Esto aumenta la posibilidad de que haya un cable que aún pueda detectar mientras otros se están recuperando”.

Otra característica del detector es que cada nanocable es más corto que los nanocables que se usan normalmente en los SNSPD, lo que significa que los nanocables individuales pueden enfriarse más rápido.

Los SNSPD existentes pueden admitir velocidades clave de poco más de 10 Mbps, pero el equipo suizo lo ha hecho mucho mejor. “La alta tasa máxima de conteo del SNSPD, así como la mayor resolución de tiempo, ayudaron a lograr una tasa de clave secreta de 64 Mbps en 10 km de fibra óptica”, dice Grünenfelder. “Podríamos batir el récord anterior por más de un factor de cuatro”.

Amplificación de privacidad

Al detectar fotones a esta velocidad, un sistema QKD podría realizar las correcciones de error necesarias y llevar a cabo la amplificación de la privacidad (un proceso que transforma los fotones clave sin procesar en una clave segura final, independientemente de cualquier información que pueda haberse filtrado a un intruso), ambos en tiempo real.

Foto de una estación terrestre utilizada en el experimento.

Terminal simplificado transmite claves cuánticas desde el espacio

Por ahora, las temperaturas criogénicas requeridas para los SNSPD significan que la tecnología no se adapta bien a las aplicaciones diarias en QKD. “Otras optimizaciones implementadas para llevar las tasas clave al límite se pueden implementar en QKD comerciales más convencionales”, explica Zbinden.

Sin embargo, los investigadores aún contemplan una amplia gama de posibilidades para sus SNSPD ultrarrápidos y altamente eficientes: desde la comunicación segura entre naves espaciales distantes hasta nuevas generaciones de sensores ópticos avanzados, que podrían ser particularmente útiles en imágenes médicas.

La investigación se describe en Nature Photonics.