Un equipo de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia (UW) ha diseñado y probado un sistema novedoso para la distribución cuántica de claves (QKD, por sus siglas en inglés) que se basa en la codificación de alta dimensionalidad, inspirada en el efecto Talbot temporal. Este enfoque promete una construcción más simplificada y escalable para los sistemas QKD en comparación con las tecnologías existentes, buscando mejorar la seguridad en la transmisión de información ante las crecientes ciberamenazas.
El Dr. Michał Karpiński, líder del Laboratorio de Fotónica Cuántica de la UW, explicó que la investigación se centra en la distribución cuántica de claves, una tecnología que utiliza fotones individuales para establecer una clave criptográfica segura. A diferencia de la QKD tradicional que opera con qubits, este nuevo método explora estados cuánticos más complejos, como las superposiciones de "time-bin" de fotones, capaces de representar múltiples valores y trascender los resultados binarios. La detección del tiempo de un fotón individual en tal superposición arroja un resultado aleatorio, codificando información en la fase de la onda de luz.
La inspiración para este avance proviene del efecto Talbot, un fenómeno óptico descubierto en 1836, que se manifiesta en el dominio temporal cuando una serie de pulsos de luz se propaga a través de un medio dispersivo. La analogía espacio-tiempo permite aplicar este efecto a fotones individuales para el análisis y procesamiento de estados cuánticos. El sistema experimental de QKD de cuatro dimensiones desarrollado utiliza componentes comerciales accesibles y una innovación clave: la capacidad de detectar superposiciones de múltiples pulsos con un único detector de fotones. Esto elimina la necesidad de complejas redes de interferómetros, reduciendo significativamente la complejidad y el costo del sistema de medición, y evitando la tediosa calibración por separado del receptor.
El método de la UW ofrece alta eficiencia, ya que todos los eventos de detección de fotones son útiles, y a pesar de presentar tasas de error de medición relativamente altas, los investigadores confirmaron que no obstaculizan la QKD. Una ventaja considerable es la capacidad de detectar superposiciones tanto 2D como 4D sin modificaciones en el hardware ni estabilización del receptor. La seguridad del sistema fue validada en fibras ópticas de laboratorio y en la infraestructura de fibra de la Universidad de Varsovia a lo largo de varios kilómetros, demostrando exitosamente la QKD con codificación bidimensional y cuatridimensional utilizando el mismo transmisor y receptor.
Si bien la seguridad teórica de la QKD es una ventaja primordial, la descripción estándar de muchos protocolos QKD ha revelado ser incompleta. Para abordar esta debilidad, el equipo colaboró con grupos de investigación italianos y alemanes especializados en pruebas de seguridad QKD, desarrollando una modificación en el receptor para recopilar datos adicionales y eliminar la falla de seguridad. La prueba de seguridad del nuevo protocolo se publicó en Physical Review Applied. Este avance representa un paso significativo hacia la implementación práctica de la criptografía cuántica, con el potencial de fortalecer la seguridad de la transmisión de datos en entornos urbanos.