El CESGA proyecta la autopista cuántica más larga de España
La distribución de claves cuánticas promete revolucionar la seguridad en las comunicaciones gracias a la invulnerabilidad que las leyes de la mecánica cuántica le confieren al intercambio de información. Aplicar esta tecnología a larga distancia es un reto científico y tecnológico al que el CESGA, con la colaboración del VQCC, contribuye mediante el despliegue de la línea de comunicación cuántica más larga de España. Esta especie de autopista cuántica entre Santiago y Vigo permitirá experimentar con el envío de información cifrada a lo largo de 120 kilómetros, con la expectativa de crear ramificaciones a otros puntos de Galicia en un futuro
David Barral
El padre de la cuántica. Así es como la revista Nature bautizó en 2017 a Jian-Wei Pan, cuando lo incluyó en su lista de los diez investigadores más destacados del año. La relevancia de su trabajo traspasa las barreras de la ciencia, hasta el punto de que un año después, en 2018, la revista Time lo situó como una de las cien personas más influyentes del mundo. Su trayectoria está plagada de hitos, uno de los cuales fue el despliegue de la red cuántica terrestre más larga del mundo en 2016, una línea que conectaba los 2.000 kilómetros que median entre Beijing y Shangái.
La competición por construir líneas de comunicación cuántica largas y eficientes es uno de los puntales en la carrera entre las grandes potencias mundiales por liderar esta tecnología. Galicia se posicionó ya en un lugar de honor en esta contienda: gracias a la iniciativa del Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA), con la colaboración del Vigo Quantum Computing Center (VQCC), tendrá la línea de comunicación cuántica más larga de España y una de las más extensas de Europa. Esta autopista cuántica de aproximadamente 120 kilómetros de longitud unirá Santiago de Compostela y Vigo, con el objetivo de realizar experimentos y demostraciones de casos de uso.
Las infraestructuras de comunicación cuántica están llamadas a revolucionar las telecomunicaciones, sobre todo porque prometen garantizar la seguridad perfecta en el intercambio de información mediante sistemas invulnerables ante ataques externos. Esto se debe a que estas redes se rigen por las leyes de la mecánica cuántica, que aseguran que los cúbits –las unidades mínimas de información cuántica– sean imposibles de copiar sin alterar su estado. Cualquier alteración por parte de un intruso genera una alerta, provoca la detección del intento de hackeo y permite abortar la transmisión.
El secreto de la clave
La criptografía actual se basa en el secreto de la clave. “El mensaje cifrado puede transmitirse por un canal público, pero la clave debe enviarse por un canal seguro. La vulnerabilidad radica en el transporte de la clave, que puede ser descifrada por un intruso sin dejar rastro mediante un método suficientemente elaborado. La distribución de claves cuánticas resuelve este problema”, explica David Barral, del Departamento de Comunicaciones del CESGA, para exponer la tecnología que sustenta la línea proyectada entre Santiago y Vigo.
La distribución de claves cuánticas –QKD, por las siglas en inglés de quantum key distribution– está considerada la gran esperanza de la seguridad perfecta en las comunicaciones. El intercambio de claves mediante QKD se hace normalmente usando como vehículos fotones (partículas de luz) emitidos por láser, dado que son particularmente efectivos para mantener sus propiedades cuánticas durante tiempos relativamente largos, lo que permite compartir la clave a distancias mayores.
En el caso de la infraestructura atlántica, el reto mide nada menos que 120 kilómetros. “Es una distancia significativa porque los pulsos de luz se atenúan, es decir, pierden fotones, al propagarse en una fibra óptica”, explica el investigador del CESGA. “Por suerte, las fuentes láser actuales permiten enviar del orden de mil millones de pulsos ópticos cada segundo. A pesar de la pérdida de fotones que se produce por el camino, enviando un fotón en cada pulso podríamos llegar a detectar del orden de varios millones de fotones por segundo”. Es decir, se provoca un bombardeo de fotones en origen para asegurar que llega una cantidad suficiente a destino. Y efectivamente es así porque, según aclara Barral, “esto posibilita la generación de claves de un tamaño adecuado en un tiempo razonable”.
La autopista por la que viajan estos fotones, la fibra óptica, es el principal desafío técnico del proyecto. “El hilo debe ser único, sin los amplificadores ópticos que se encuentran habitualmente en las líneas de fibra tendida y que permiten la transmisión de información clásica a largas distancias, ya que estos destruyen la información cuántica. Además, la fibra pasará por emplazamientos como gasoductos, por lo que tenemos que analizar la estabilidad de la conexión”.
Dos casos de uso
Una vez que Vigo y Compostela queden conectadas, está previsto crear redes secundarias en el entorno de las dos ciudades para extender su radio de acción. “Esta línea supone el primer paso para una red gallega de redes locales en la que la información se transmitirá con la máxima seguridad permitida por la física cuántica. Además, supondrá un banco de pruebas para otros protocolos criptográficos y de comunicaciones cuánticas”, explica Barral.
En este sentido, el investigador del CESGA destaca el carácter experimental de esta infraestructura, pensada para contribuir al avance de la tecnología desde Galicia y para Galicia. “La línea es tanto una infraestructura al servicio de la comunidad investigadora como un demostrador para empresas que quieran apostar por las tecnologías cuánticas. De hecho, tenemos ya dos casos de uso proyectados en los que participan varias universidades españolas y empresas de I+D”, en referencia, además de a la Universidade de Vigo a través del centro de investigación AtlanTTic, a la Universidad Politécnica de Madrid, a la Universidad del País Vasco y, desde el ámbito privado, al centro de I+D+i Tecnalia y a la empresa Ibermática.
El primer caso de uso busca aplicar tecnologías cuánticas para securizar parte del canal de comunicaciones entre equipos que usan redes 5G –como teléfonos móviles– empleando claves generadas mediante QKD. “Alojaremos un núcleo de 5G en el CESGA que estará conectado a través de la línea CESGA-VQCC con una unidad central y una distribuida en la Universidade de Vigo. Allí, otra línea de QKD se conectará a un nodo de radio, protegiendo así mediante distribución de claves cuánticas toda la parte por fibra óptica de la comunicación de un usuario de la red 5G”, precisa Barral.
El otro caso de uso se centra en el desarrollo de un software de gestión de redes de QKD multisalto mediante nodos confiables para el despliegue de redes WAN (del inglés wide arena network, define las redes de telecomunicaciones que conectan dispositivos a larga distancia, en contraposición a las redes locales o redes LAN). Actualmente, cada pareja –emisor y receptor– de equipos de QKD comercial tiene un gestor de claves propio que no se entiende con el de otras casas comerciales. “Nosotros queremos desarrollar un software libre que sea capaz de gestionar la comunicación protegida por QKD entre cualquier par de usuarios de la red, independientemente de la marca o tecnología de los dispositivos que usan”, expone el investigador del CESGA.
El proyecto liderado por el equipo de investigadores e investigadoras del CESGA se desarrolla en el marco del Plan Complementario de Comunicación Cuántica (PCCC) y está alineado con la estrategia europea de redes de comunicaciones seguras (EuroQCI) y con la iniciativa de desarrollo de tecnologías cuánticas en Europa (Quantum Flagship).
Según Barral, las expectativas de aplicabilidad de la tecnología de QKD a larga distancia dibujan un panorama de securización de las comunicaciones que se extiende a múltiples sectores y ámbitos de la vida cotidiana. En el campo financiero, menciona la protección de datos, el comercio electrónico y las comunicaciones entre las sucursales bancarias y las sedes centrales. Los gobiernos y organismos de defensa podrán blindar las comunicaciones de los servicios de inteligencia y con las embajadas, por ejemplo. Las consultas de expedientes médicos y bases de datos estarán totalmente protegidas en los sistemas sanitarios. En el ámbito de la energía, se podrá utilizar en el control de plantas de producción y en la monitorización de infraestructuras. Los organismos de investigación científica e industrias como la farmacéutica podrán asegurar el intercambio de datos sensibles en materia de desarrollo tecnológico. Y, por supuesto, en los campos de las telecomunicaciones y de las TIC ofrecerá las garantías de seguridad necesarias para la transmisión de información y el acceso a servidores o a la nube.
El futuro cuántico
“A medio plazo, estas líneas de larga distancia serán el tronco sobre el que redes de QKD de tamaño medio se integrarán en la infraestructura de comunicaciones de las ciudades”, estima David Barral, que pone como ejemplo MadQCI, la red de QKD del área metropolitana de Madrid. “Estos proyectos representan un primer paso para una futura internet cuántica que conecte ordenadores cuánticos, simuladores y sensores a nivel nacional y trasnacional a través de redes cuánticas seguras”.
Según el investigador del CESGA, el éxito de esta proyección de futuro pasa por un enfoque flexible e iterativo, donde los avances tecnológicos se integran a medida que surgen. “Nuestra metodología requiere estar siempre actualizados y colaborar con otros grupos para mantenernos en la vanguardia del desarrollo”.
Esta necesidad de colaborar para llegar más lejos está detrás del proyecto complementario que el centro desarrolla con la Universidade de Santiago de Compostela (USC) para el despliegue de una línea de QKD de carácter experimental entre sus instalaciones y la Facultad de Óptica, que permitirá testar nuevos protocolos de distribución de claves cuánticas y, en un futuro, crear una red segura a escala local.
