O CESGA proxecta a autopista cuántica máis longa de España
A distribución de claves cuánticas promete revolucionar a seguridade nas comunicacións grazas á invulnerabilidade que as leis da mecánica cuántica lle confiren ao intercambio de información. Aplicar esta tecnoloxía a longa distancia é un reto científico e tecnolóxico ao que o CESGA, coa colaboración do VQCC, contribúe mediante o despregamento da liña de comunicación cuántica máis longa de España. Esta especie de autopista cuántica entre Santiago e Vigo permitirá experimentar co envío de información cifrada ao longo de 120 quilómetros, coa expectativa de crear ramificacións a outros puntos de Galicia nun futuro
David Barral
O pai da cuántica. Así é como a revista Nature bautizou en 2017 a Jian-Wei Pan, cando o incluíu na súa lista dos dez investigadores máis destacados do ano. A relevancia do seu traballo traspasa as barreiras da ciencia, ata o punto de que un ano despois, en 2018, a revista Time o situou como unha das cen persoas máis influentes do mundo. A súa traxectoria está plagada de fitos, un dos cales foi o despregamento da rede cuántica terrestre máis longa do mundo en 2016, unha liña que conectaba os 2.000 quilómetros que median entre Beijing e Shangái.
A competición por construír liñas de comunicación cuántica longas e eficientes é un dos puntais na carreira entre as grandes potencias mundiais por liderar esta tecnoloxía. Galicia posicionouse xa nun lugar de honra nesta contenda: grazas á iniciativa do Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA), coa colaboración do Vigo Quantum Computing Center (VQCC), terá a liña de comunicación cuántica máis longa de España e unha das máis extensas de Europa. Esta autopista cuántica de aproximadamente 120 quilómetros de lonxitude unirá Santiago de Compostela e Vigo, co obxectivo de realizar experimentos e demostracións de casos de uso.
As infraestruturas de comunicación cuántica están chamadas a revolucionar as telecomunicacións, sobre todo porque prometen garantir a seguridade perfecta no intercambio de información mediante sistemas invulnerables fronte a ataques externos. Isto débese a que estas redes se rexen polas leis da mecánica cuántica, que aseguran que os cúbits –as unidades mínimas de información cuántica– sexan imposibles de copiar sen alterar o seu estado. Calquera alteración por parte dun intruso xera unha alerta, provoca a detección do intento de hackeo e permite abortar a transmisión.
O segredo da clave
A criptografía actual baséase no segredo da clave. “A mensaxe cifrada pode transmitirse por unha canle pública, pero a clave debe enviarse por unha canle segura. A vulnerabilidade radica no transporte da clave, que pode ser descifrada por un intruso sen deixar rastro mediante un método suficientemente elaborado. A distribución de claves cuánticas resolve este problema”, explica David Barral, do Departamento de Comunicacións do CESGA, para expoñer a tecnoloxía que sustenta a liña proxectada entre Santiago e Vigo.
A distribución de claves cuánticas –QKD, polas siglas en inglés de quantum key distribution– está considerada a grande esperanza da seguridade perfecta nas comunicacións. O intercambio de claves mediante QKD faise normalmente usando como vehículos fotóns (partículas de luz) emitidos por láser, dado que son particularmente efectivos para manter as súas propiedades cuánticas durante tempos relativamente longos, o que permite compartir a clave a distancias maiores.
No caso da infraestrutura atlántica, o reto mide nada menos que 120 quilómetros. “É unha distancia significativa porque os pulsos de luz atenúanse, é dicir, perden fotóns, ao propagarse nunha fibra óptica”, explica o investigador do CESGA. “Por sorte, as fontes láser actuais permiten enviar da orde de mil millóns de pulsos ópticos cada segundo. A pesar da perda de fotóns que se produce polo camiño, enviando un fotón en cada pulso poderiamos chegar a detectar da orde de varios millóns de fotóns por segundo”. É dicir, provócase un bombardeo de fotóns en orixe para asegurar que chega unha cantidade suficiente ao destino. E efectivamente é así porque, segundo aclara Barral, “isto posibilita a xeración de claves dun tamaño adecuado nun tempo razoable”.
A autopista pola que viaxan estes fotóns, a fibra óptica, é o principal desafío técnico do proxecto. “O fío debe ser único, sen os amplificadores ópticos que se atopan habitualmente nas liñas de fibra tendida e que permiten a transmisión de información clásica a longas distancias, xa que estes destrúen a información cuántica. Ademais, a fibra pasará por emprazamentos como gasodutos, polo que temos que analizar a estabilidade da conexión”.
Dous casos de uso
Unha vez que Vigo e Compostela queden conectadas, está previsto crear redes secundarias na contorna das dúas cidades para estender o seu radio de acción. “Esta liña supón o primeiro paso para unha rede galega de redes locais na que a información se transmitirá coa máxima seguridade permitida pola física cuántica. Ademais, suporá un banco de probas para outros protocolos criptográficos e de comunicacións cuánticas”, explica Barral.
Neste sentido, o investigador do CESGA destaca o carácter experimental desta infraestrutura, pensada para contribuír ao avance da tecnoloxía dende Galicia e para Galicia. “A liña é tanto unha infraestrutura ao servizo da comunidade investigadora como un demostrador para empresas que queiran apostar polas tecnoloxías cuánticas. De feito, temos xa dous casos de uso proxectados nos que participan varias universidades españolas e empresas de I+D”, en referencia, ademais de á Universidade de Vigo a través do centro de investigación AtlanTTic, á Universidade Politécnica de Madrid, á Universidade do País Vasco e, dende o ámbito privado, ao centro de I+D+i Tecnalia e á empresa Ibermática.
O outro caso de uso céntrase no desenvolvemento dun software de xestión de redes de QKD multisalto mediante nodos confiables para o despregamento de redes WAN (do inglés wide area network, define as redes de telecomunicacións que conectan dispositivos a longa distancia, en contraposición ás redes locais ou redes LAN). Actualmente, cada parella –emisor e receptor– de equipos de QKD comercial ten un xestor de claves propio que non se entende co doutras casas comerciais. “Nós queremos desenvolver un software libre que sexa capaz de xestionar a comunicación protexida por QKD entre calquera par de usuarios da rede, independentemente da marca ou tecnoloxía dos dispositivos que usan”, expón o investigador do CESGA.
O proxecto liderado polo equipo de investigadores e investigadoras do CESGA desenvólvese no marco do Plan Complementario de Comunicación Cuántica (PCCC) e está aliñado coa estratexia europea de redes de comunicacións seguras (EuroQCI) e coa iniciativa de desenvolvemento de tecnoloxías cuánticas en Europa (Quantum Flagship).
Segundo Barral, as expectativas de aplicabilidade da tecnoloxía de QKD a longa distancia debuxan un panorama de securización das comunicacións que se estende a múltiples sectores e ámbitos da vida cotiá. No eido financeiro, menciona a protección de datos, o comercio electrónico e as comunicacións entre as sucursais bancarias e as sedes centrais. Os gobernos e organismos de defensa poderán blindar as comunicacións dos servizos de intelixencia e coas embaixadas, por exemplo. As consultas de expedientes médicos e bases de datos estarán totalmente protexidas nos sistemas sanitarios. No ámbito da enerxía, poderase utilizar no control de plantas de produción e na monitorización de infraestruturas. Os organismos de investigación científica e industrias como a farmacéutica poderán asegurar o intercambio de datos sensibles en materia de desenvolvemento tecnolóxico. E, por suposto, nos campos das telecomunicacións e das TIC ofrecerá as garantías de seguridade necesarias para a transmisión de información e o acceso a servidores ou á nube.
O futuro cuántico
“No medio prazo, estas liñas de longa distancia serán a o tronco sobre o que redes de QKD de tamaño medio se integrarán na infraestrutura de comunicacións das cidades”, estima David Barral, que pon como exemplo MadQCI, a rede de QKD da área metropolitana de Madrid. “Estes proxectos representan un primeiro paso para unha futura Internet cuántica que conecte ordenadores cuánticos, simuladores e sensores a nivel nacional e transnacional a través de redes cuánticas seguras”.
Segundo o investigador do CESGA, o éxito desta proxección de futuro pasa por un enfoque flexible e iterativo, onde os avances tecnolóxicos se integran a medida que xorden. “A nosa metodoloxía require estar sempre actualizados e colaborar con outros grupos para manternos na vangarda do desenvolvemento”.
Esta necesidade de colaborar para chegar máis lonxe está detrás do proxecto complementario que o centro desenvolve coa Universidade de Santiago de Compostela (USC) para o despregamento dunha liña de QKD de carácter experimental entre as súas instalacións e a Facultade de Óptica, que permitirá probar novos protocolos de distribución de claves cuánticas e, nun futuro, crear unha rede segura a escala local.
