Introducción a la criptografía cuántica experimental: Distribución de una clave cuántica por aire libre

Abstract

Este trabajo trata de la Criptografía Cuántica, una de las aplicaciones prácticas de la fascinante “Computación Cuántica”, que más avance tecnológico viene mostrando hasta la fecha. Como un primer trabajo de introducción a la criptografía cuántica en nuestro medio, se ha modelado en computadora clásica y construido experimentalmente una máquina básica de criptografía capaz de enviar una clave “secreta” mediante pulsos de fotones a una distancia de 1.5 m, a través del aire libre, utilizando el protocolo cuántico BB84 y el algoritmo One-Time Pad. Es importante destacar que aunque nuestra máquina utiliza el protocolo BB84, su diseño es simplificado y distinto al de las máquinas modernas, diseño que surge de las limitaciones económicas que obligan a utilizar partes ópticas mucho más simples. Los métodos de criptografía actual basan su seguridad en la enorme cantidad de cálculos que tendría que realizar una computadora moderna para descifrar claves de seguridad que en promedio tomaría años en lograrlo. Por el contrario una futura computadora cuántica realizaría esos mismos cálculos en cuestión de minutos haciendo vulnerables todos los métodos criptográficos actuales Por ello, en la actualidad, se desarrollan nuevos métodos de criptografía que sean intrínsecamente invulnerables aún frente a una computadora cuántica. Antes de construir la máquina criptográfica se dedujo fórmulas teóricas que predicen el comportamiento estadístico de la transmisión de bits en presencia de ruido y espía Luego se elaboró un programa de simulación de la generación de la clave “secreta” escrito en el lenguaje de programación Microsoft Visual C#. Luego de las simulaciones computarizadas, se construyó la máquina básica de criptografía, la misma que consta de las siguientes partes: • La parte óptica que está constituida por un láser He-Ne polarizado de lmW, un atenuador de potencia manual, un “chopper”, un conjunto de polarizadores fundamentalmente para codificar y medir la señal, un montaje en base a vidrios que actúan como separadores de haz y fototransistores para detectar la señal. • La parte electro-mecánica está constituida por un conjunto de motores a paso y por fototransistores ambos controlados por circuitos integrados que forman una interfaz paralela conectada a una PC. El software de control de esta parte electro-mecánica implementa además el protocolo BB84. Con la máquina construida se realizaron tres experimentos: • El objetivo primario de la presente tesis es la generación de una clave privada por aire utilizando el protocolo cuántico BB84. Los resultados muestran una coincidencia con las predicciones teóricas y con las simulaciones mediante el software desarrollado, es decir hubo una coincidencia entre las longitudes de las claves previstas (tróficas y simuladas) y la experimental • Se implementó el método de interceptación denominado Photon Number Splitting (PNS) que consiste en que el espía desvía parte de los fotones. Este ataque es efectivo cuando el pulso contiene varios fotones como es nuestro caso. En estas condiciones se muestra que el espía obtiene la clave sin que el emisor o receptor se den cuenta de ello. Sin embargo cuando se atenúa la intensidad del haz láser el espía tiene dificultades en obtener la clave, incluso se ha podido determinar experimentalmente la existencia de un mínimo de intensidad de haz mediante el cual se logra evitar que el espía obtenga alguna información, permitiendo todavía que emisor y receptor construyan una clave segura. • Finalmente se utilizó la máquina para enviar mensajes encriptados. Este proceso es sencillo pero muestra la flexibilidad de la máquina que puede ser usado para generar una clave privada y luego enviar el menaje encriptado.