Los investigadores han desarrollado un sistema de distribución de claves cuánticas (QKD) basado en fotónica de silicio que puede transmitir claves seguras a velocidades sin precedentes. El transmisor QKD (en la foto) combina un circuito integrado fotónico y eléctrico con un láser de diodo externo. Crédito: Rebecka Sax, Universidad de Ginebra
El sistema integrado de distribución de claves cuánticas basado en fotónica allana el camino para el despliegue de la red.
Los científicos han creado un sistema de distribución de claves cuánticas (QKD) basado en fotónica integrada, que permite la transmisión de claves seguras a velocidades sin precedentes.
QKD, una técnica comprobada para crear claves sensibles para la comunicación segura entre entidades remotas, aprovecha los atributos cuánticos de la luz para crear claves aleatorias seguras. Estas claves se utilizan para cifrar y descifrar datos. A diferencia de los protocolos de comunicación actuales que dependen de la complejidad computacional para la seguridad, la seguridad QKD se basa en los principios de la física.
«Uno de los objetivos clave de la tecnología QKD es la capacidad de integrarla de forma sencilla en una red de comunicaciones del mundo real», dijo Rebecka Sax, miembro del equipo de investigación de la Universidad de Ginebra, Suiza. «Un paso importante y necesario hacia ese objetivo es el uso de fotónica integrada, que permite que los sistemas ópticos se fabriquen utilizando la misma tecnología de semiconductores que se usa para fabricar chips de computadora de silicio».
El receptor QKD basado en sílice que se muestra consta de un circuito fotónico integrado y dos detectores externos de un solo fotón. Crédito: Simone Atzeni, CNR-IFN
En la revista Photonics Research del Optica Publishing Group, los investigadores dirigidos por Hugo Zbinden de la Universidad de Ginebra describen su nuevo sistema QKD, en el que todos los componentes están integrados en chips excepto el láser y los detectores. Esto trae muchas ventajas como compacidad, bajo costo y facilidad de producción en masa.
“Si bien QKD puede proporcionar seguridad para aplicaciones confidenciales como la banca, la atención médica y la defensa, aún no es una tecnología generalizada”, dijo Sax. “Este trabajo justifica la maduración de la tecnología y ayuda a resolver los tecnicismos de implementarla a través de circuitos integrados ópticos, lo que permitiría la integración en redes y en otras aplicaciones”.
Construyendo un sistema basado en chips más rápido
En trabajos anteriores, los investigadores desarrollaron un protocolo QKD de intervalos de tiempo de tres estados que se ejecutó con componentes estándar basados en fibra para lograr la transmisión QKD a velocidades récord.
«Nuestro objetivo en este nuevo trabajo era implementar el mismo protocolo usando fotónica integrada», dijo Sax. “La compacidad, robustez y facilidad de manipulación de un sistema fotónico integrado, con menos componentes para verificar al implementar o solucionar problemas de una red, mejora la posición de QKD como tecnología para la comunicación segura”.
Los sistemas QKD utilizan un transmisor para enviar fotones codificados y un receptor para detectarlos. En el nuevo trabajo, los investigadores de la Universidad de Ginebra colaboraron con la empresa de fotónica de silicio Sicoya GmbH en Berlín, Alemania, y la empresa de ciberseguridad cuántica ID Quantique en Ginebra para desarrollar un transmisor fotónico de silicio que combina un circuito fotónico integrado con un diodo láser externo.
El receptor QKD estaba hecho de sílice y constaba de un circuito fotónico integrado y dos detectores externos de un solo fotón. El grupo de Roberto Osellame en el Instituto CNR de Fotónica y Nanotecnología en Milán, Italia, usó micromecanizado láser de femtosegundo para fabricar el receptor.
“Para el transmisor, el uso de un láser externo con un circuito integrado fotónico y electrónico hizo posible producir y codificar fotones con precisión a una velocidad récord de hasta 2,5 GHz”, dijo Sax. “Para el receptor, un circuito fotónico integrado de baja pérdida, independiente de la polarización y un conjunto de detectores externos permitieron la detección pasiva y simple de los fotones transmitidos. La conexión de estos dos componentes con una fibra monomodo estándar permitió la producción de claves secretas a alta velocidad”.
Transmisión de baja pérdida y alta velocidad
Después de caracterizar a fondo el transmisor y el receptor integrados, los investigadores lo utilizaron para realizar un intercambio de claves secretas utilizando diferentes distancias de fibra simuladas y con una fibra monomodo de 150 km de largo y fotodiodos de avalancha de fotón único, que son adecuados para implementaciones prácticas. También realizaron experimentos con detectores de nanocables superconductores de fotón único, lo que permitió una tasa de error cuántico de bits de solo el 0,8 %. El receptor no solo presentaba independencia de polarización, lo cual es difícil de lograr utilizando la fotónica integrada, sino que también presentaba una pérdida extremadamente baja, alrededor de 3 dB.
«En términos de rendimiento de tasa de clave secreta y tasas de error de bit cuántico, estos nuevos experimentos produjeron resultados similares a los experimentos anteriores realizados con componentes basados en fibra», dijo Sax. “Sin embargo, el sistema QKD es mucho más simple y práctico que las configuraciones experimentales anteriores, lo que demuestra la viabilidad de usar este protocolo con circuitos integrados”.
Los investigadores ahora están trabajando para alojar las partes del sistema en un gabinete de rack simple que permitiría implementar el QKD en un sistema en red.
Referencia: “Sistema QKD de alta velocidad integrado” por Rebecka Sax, Alberto Boaron, Gianluca Boso, Simone Atzeni, Andrea Crespi, Fadri Grünenfelder, Davide Rusca, Aws Al-Saadi, Danilo Bronzi, Sebastian Kupijai, Hanjo Rhee, Roberto Osellame y Hugo Zbinden, 25 de mayo de 2023, Investigación fotónica.
DOI: 10.1364/PRJ.481475
