Gracias a los constantes avances en el desarrollo de ordenadores cuánticos y a su rendimiento cada vez mayor, en el futuro será posible descifrar nuestros actuales procesos de cifrado. Para hacer frente a este reto, investigadores de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) participan en un consorcio internacional de investigación para desarrollar métodos de cifrado que apliquen leyes físicas para impedir la interceptación de mensajes. Para salvaguardar las comunicaciones a larga distancia, la misión espacial QUICK³ desplegará satélites.

¿Cómo se puede garantizar que los datos transmitidos por Internet sólo puedan ser leídos por el destinatario previsto? En la actualidad, nuestros datos se cifran con métodos matemáticos que se basan en la idea de que la factorización de grandes números es una tarea difícil. Sin embargo, con la creciente potencia de los ordenadores cuánticos, es probable que estos códigos matemáticos dejen de ser seguros en el futuro.

Cifrado mediante leyes físicas
Tobias Vogl, catedrático de Ingeniería de Sistemas de Comunicación Cuántica, trabaja en un proceso de cifrado que se basa en principios de la física. "La seguridad se basará en que la información se codifica en partículas de luz individuales y luego se transmite. Las leyes de la física no permiten extraer o copiar esta información. Cuando se intercepta la información, las partículas de luz cambian sus características. Como podemos medir estos cambios de estado, cualquier intento de interceptar los datos transmitidos será reconocido inmediatamente, independientemente de los futuros avances tecnológicos", afirma Tobias Vogl.

El gran reto de la llamada criptografía cuántica reside en la transmisión de datos a larga distancia. En las comunicaciones clásicas, la información se codifica en muchas partículas de luz y se transmite a través de fibras ópticas. Sin embargo, la información de una sola partícula no puede copiarse. En consecuencia, la señal luminosa no puede amplificarse repetidamente, como ocurre con las actuales transmisiones por fibra óptica. Esto limita la distancia de transmisión de la información a unos cientos de kilómetros.

Para enviar información a otras ciudades o continentes, se utilizará la estructura de la atmósfera. A altitudes superiores a unos 10 kilómetros, la atmósfera es tan fina que la luz ni se dispersa ni se absorbe. Esto permitirá utilizar satélites para extender las comunicaciones cuánticas a distancias más largas.

Satélites para comunicaciones cuánticas
Como parte de la misión QUICK³, Tobias Vogl y su equipo están desarrollando un sistema completo que incluye todos los componentes necesarios para construir un satélite de comunicaciones cuánticas. En un primer paso, el equipo probó cada uno de los componentes del satélite. El siguiente paso será probar todo el sistema en el espacio. Los investigadores estudiarán si la tecnología puede soportar las condiciones del espacio exterior y cómo interactúan los componentes individuales del sistema. El lanzamiento del satélite está previsto para 2025. Sin embargo, para crear una red global de comunicaciones cuánticas se necesitarán cientos o quizá miles de satélites.

Red híbrida para la encriptación

El concepto no requiere necesariamente que toda la información se transmita por este método, que es muy complejo y costoso. Es concebible que se pueda implantar una red híbrida en la que los datos puedan cifrarse física o matemáticamente. Antonia Wachter-Zeh, catedrática de Codificación y Criptografía, trabaja en el desarrollo de algoritmos tan complejos que ni siquiera los ordenadores cuánticos puedan resolverlos. En el futuro seguirá siendo suficiente cifrar la mayor parte de la información mediante algoritmos matemáticos. La criptografía cuántica será una opción sólo para documentos que requieran una protección especial, por ejemplo en las comunicaciones entre bancos.

Publicación:
Najme Ahmadi, Sven Schwertfeger, Philipp Werner, Lukas Wiese, Joseph Lester, Elisa Da Ros, Josefine Krause, Sebastian Ritter, Mostafa Abasifard, Chanaprom Cholsuk, Ria G. Krämer, Simone Atzeni, Mustafa Gündoğan, Subash Sachidananda, Daniel Pardo, Stefan Nolte, Alexander Lohrmann, Alexander Ling, Julian Bartholomäus, Giacomo Corrielli, Markus Krutzik, Tobias Vogl. "QUICK3 - Design of a Satellite-Based Quantum Light Source for Quantum Communication and Extended Physical Theory Tests in Space". Adv. Quantum Technol. (2024). https://doi.org/10.1002/qute.202300343

- Tobias Vogl was appointed as a professor of Quantum Communication System Engineering at the School of Computation, Information and Technology in July 2023. His research focuses on optical quantum technologies in crystalline solids. In particular, he investigates fluorescent defects in the 2D material hexagonal boron nitride, which are combined with resonant nanostructures and photonic circuits for use as components for quantum information processing and in quantum networks.
- The QUICK³ mission is an international research project involving researchers from the Friedrich Schiller University Jena, the Humboldt University of Berlin, Technische Universität Berlin, Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik, the Institute for Photonics and Nanotechnologies in Italy and the National University of Singapore