Dispositivos de Distribución de Claves Cuánticas: Tecnología segura e innovadora para proteger información con precisión mediante principios de la física cuántica.
Dispositivos de Distribución de Claves Cuánticas: Seguros, Innovadores y Precisos
La distribución de claves cuánticas (QKD, por sus siglas en inglés) representa un avance revolucionario en el campo de la criptografía y la seguridad de la información. Estos dispositivos aprovechan los principios de la mecánica cuántica para garantizar la seguridad de las comunicaciones, proporcionando una protección que, en teoría, es invulnerable a cualquier método de espionaje tradicional.
Fundamentos de la Mecánica Cuántica en QKD
Para comprender cómo funcionan los dispositivos de distribución de claves cuánticas, es esencial tener una comprensión básica de algunos principios fundamentales de la mecánica cuántica:
- Superposición: Los estados cuánticos pueden existir en múltiples estados simultáneamente hasta que se miden.
- Entrelazamiento: Dos partículas cuánticas pueden estar correlacionadas de tal manera que el estado de una partícula está directamente relacionado con el estado de la otra, sin importar la distancia que las separe.
- Principio de Incertidumbre de Heisenberg: Establece que es imposible determinar simultáneamente y con precisión dos propiedades complementarias (como la posición y el momento) de una partícula cuántica.
Protocolos de Distribución de Claves Cuánticas
Uno de los protocolos más conocidos en QKD es el protocolo BB84, propuesto por Charles Bennett y Gilles Brassard en 1984. Este protocolo utiliza fotones polarizados para transmitir información cuántica. Veamos cómo funciona:
Componentes del Protocolo BB84
- Generación de Claves: El emisor (Alice) genera una clave secreta aleatoria.
- Codificación Cuántica: Alice codifica cada bit de la clave secreta en la polarización de un fotón individual.
- Transmisión: Los fotones polarizados se envían al receptor (Bob) a través de un canal cuántico.
- Medición: Bob mide la polarización de cada fotón utilizando distintas bases de medición.
Bases en BB84
En el protocolo BB84, se utilizan dos conjuntos de bases de polarización:
- La base rectilínea (|, –) donde los fotones pueden estar polarizados verticalmente (|) u horizontalmente (–).
- La base diagonal (/ y \) donde los fotones pueden estar polarizados en ángulo de 45° (/ y \).
La clave para la seguridad del BB84 se encuentra en la elección aleatoria de las bases por parte de Alice y Bob. Cuando Bob mide los fotones en la base correcta, sus resultados son coherentes con la clave de Alice; sin embargo, si Bob mide en la base incorrecta, sus resultados serán aleatorios.
Teoría del Protocolo BB84
El protocolo BB84 se basa en los siguientes principios teóricos:
- Codificación Cuántica: Alice elige una base de polarización al azar para cada bit de su clave y la codifica en el fotón polarizado correspondiente.
- Medición Aleatoria: Bob también elige al azar una base de polarización para medir cada fotón recibido.
- Coincidencia de Bases: Después de la transmisión y medición, Alice y Bob comunican públicamente las bases utilizadas para cada fotón pero no los resultados. Solo las mediciones realizadas con las mismas bases son relevantes para la clave final.
- Detección de Interceptación: Si un espía (Eve) intenta interceptar y medir los fotones, su intervención cambiará la polarización de los fotones, introduciendo errores que serán detectados por Alice y Bob.
Fórmulas en QKD
La ecuación de Shanon-Hartley es crucial en la teoría de la información:
\[ C = B \log_2 (1 + \frac{S}{N}) \]
Donde:
- C es la capacidad del canal en bits por segundo.
- B es el ancho de banda del canal en hertzios.
- S es la potencia de la señal recibida.
- N es la potencia del ruido.
Esta ecuación nos muestra cómo la capacidad de un canal para transmitir información está limitada por el ruido presente en el canal. En el contexto de QKD, las interrupciones o mediciones por parte de Eve aumentan el “ruido”, permitiendo a Alice y Bob detectar su presencia.
Finalmente, la tasa de error cuántico de bits (QBER, por sus siglas en inglés) es una métrica fundamental para evaluar la seguridad de un sistema QKD. La tasa de error se define como:
\[ QBER = \frac{N_{errores}}{N_{total}} \]
Donde:
- Nerrores es el número de bits recibidos incorrectamente.
- Ntotal es el número total de bits recibidos.
Un QBER alto indica un posible intento de espionaje o una débil integridad del canal cuántico, lo que requiere medidas de corrección de errores y aumento de seguridad.