Descubren cómo acelerar la correción de errores en transmisión cuántica de claves

Un ejemplo de una matriz de paridad que indica errores durante la transferencia de una clave. /E. O. Kiktenko et al / Phys. Rev. Aplicado

Físicos rusos han desarrollado una nueva forma de eliminar los errores que surgen cuando la información se transmite a través de canales de comunicación cuántica. Este método requiere 30% menos ciclos de inspección que con el método estándar y revela menos detalles sobre las claves que se transfieren. El artículo está publicado en Physical Review Applied.

La tarea de la criptografía cuántica comúnmente consiste en la transmisión de una clave de cifrado -una secuencia de bits, mediante la cual es posible cifrar de forma segura los mensajes transmitidos a través de los canales de comunicación ordinarios-. La peculiaridad de los canales cuánticos es que cuando se intenta interceptar información, un atacante debe realizar mediciones en un objeto cuántico, lo que inevitablemente conduce a una violación del estado cuántico del sistema. Debido a esto, la secuencia de bits recibida será diferente de la enviada, y esta diferencia se puede detectar fácilmente probando en canales clásicos. Sin embargo, con esta verificación, los participantes tienen que intercambiar cierta información sobre la clave de origen, lo que ralentiza el proceso de transferencia y lo hace menos confiable.

Por otro lado, en la realidad, durante la transmisión de información a través de canales cuánticos, los errores pueden ocurrir espontáneamente, incluso si el atacante no intenta interceptar la señal. Por ello no se puede omitir el proceso de verificación de las claves. Además, algunas veces para la corrección de errores, son necesarios varios ciclos de inspección. Por ejemplo, cuando se usa el popular método iterativo en cascada, basado en la comparación de la paridad de los mensajes transmitidos y recibidos, la cantidad de ciclos de comunicación en un canal clásico puede alcanzar los treinta. Para acelerar la transferencia de la clave se están desarrollando otros métodos.

Uno de estos métodos fue propuesto por científicos del Centro Ruso Cuántico. Este método se basa en el método de reconciliación ciega y es el siguiente. Primero, cada una de las partes modifica la clave disponible, completándola con secuencias de bits, en cuya coincidencia están completamente seguros, y con secuencias de símbolos generados aleatoriamente. Luego calculan la característica especial (síndrome) de la clave extendida y la envían simultáneamente por el canal clásico al otro lado. Comparando el síndrome de las claves, es posible determinar si se cometieron errores durante el reenvío por el canal cuántico, y en algunos casos incluso pueden ser corregidos. Si no existe confianza en la coincidencia de las claves, cada parte envía un poco de información sobre el código que tiene y repite la misma secuencia de acciones.

De esta forma los científicos lograron reducir el número de controles en comparación con el método estándar ciego, en el cual las partes intercambian información de forma estrictamente secuencial. Con el nuevo método, el número de ciclos de comunicación en el canal clásico fue en promedio un 30% menor que en el anterior. Además, al aumentar la interferencia en el canal, el número de ciclos pasa a un valor constante y es prácticamente independiente de la tasa de error en bits.

Dependencia a la cantidad de ruido en el canal de transferencia de eficiencia (arriba) y el número de ciclos de exploración (abajo). /E. O. Kiktenko et al / Phys. Rev. Aplicado

Otro indicador importante de la calidad del protocolo de reconciliación es su efectividad. A grandes rasgos, esta es una característica que indica cuánta información innecesaria para la reconciliación de claves fue transmitida en comparación con el límite teórico. Cuanto más cerca esté su valor de la unidad, mejor. Resultó que la eficiencia de un método ciego simétrico también es más alta que la del ciego convencional, en cualquier frecuencia de errores.

Dmitry Trunin

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