Laboratorio Bx. Tecnologías cuánticas para comunicaciones avanzadas

Laboratorio Bx. Tecnologías cuánticas para comunicaciones avanzadas

Los cuatro ejes principales de investigación y desarrollo de tecnologías disruptivas para las comunicaciones avanzadas del laboratorio son: Relojes atómicos, Peines de Frecuencia,
Gravímetros Cuánticos y Criptografía Cuántica. Actualmente el CINVESTAV Unidad Querértaro cuenta con personal académico con experiencia y reconocimiento internacional en estas áreas de investigación y desarrollo tecnológico. El Laboratorio de Tecnologías
Cuánticas para Comunicaciones Avanzadas representa un soporte científico y tecnológico de frontera para el desarrollo de los sistemas de comunicación que atiendan las necesidades de sociedades hiperconectadas, sensorizadas y altamente colaborativas.
Actualmente el mundo entero esta interconectado, la comunicación es instantánea, no existen barreras geográficas, las distancias se vuelven irrelevantes, y prácticamente en cualquier lugar hay acceso a instrumentos de información. Este cambio ha dado lugar a una
gran y justificada preocupación por la seguridad de la información que se encuentra almacenada, así como a la forma en que se intercambia. Aspectos que causan la inquietud son: a) la facilidad que hoy en día tiene cualquier persona para acceder a los medios en
que se almacena y a los canales que se usan para intercambiarla y b) el incremento en la capacidad de computo.

La evolución del tamaño y capacidad de almacenamiento de los dispositivos muestran que la información se almacena en espacios cada vez más pequeños, lo que de manera natural
ha conducido a considerar la escala en la que los efectos cuánticos son relevantes. Existe suficiente evidencia para que la seguridad de la información almacenada y aquella que se transmite por la red de telecomunicaciones sea motivo de preocupación. Esto le
sucede, lo mismo a las instancias dedicadas a la seguridad nacional de los países, como a toda clase de organizaciones. La amenaza, así como la solución, surge de la aparición de una tecnología disruptiva, resultado de la combinación del concepto de información y de
mecánica cuántica. Al resultado se le conoce como información cuántica.

 

Información Cuántica.

En los últimos años ha surgido una tecnología disruptiva la cual surge de usar entes cuánticos para la realización física de los unos y ceros. Esta tecnología aprovecha las características del mundo cuántico.

En el caso de la distribución de llaves para encriptamiento (QKD por sus siglas en inglés: Quantum Key Distribution) se usan fotones (mínimo paquete de luz de un color dado). La idea es muy sencilla, usar la manifestación cuántica de la luz para cifrar la información a través de las fibras ópticas de uso comercial. Así, cada fotón (partícula cuántica asociada a la luz) transporta información y solo al realizar una medición se puede saber cuál es esa información. Además, por su naturaleza, en el momento en que se mide el fotón o deja de existir o deja de estar en el estado cuántico en el que se preparó. La gran ventaja de este esquema es que la naturaleza cuántica del portador de la información permite detectar la intrusión cuando alguien no autorizado trata de leer nuestra información.

Para implementar un sistema de criptografía cuántica se deben hacer varias elecciones. La primera de ellas es la fuente de luz a utilizar, la segunda es cuál de las propiedades físicas de la luz se va a usar para cifrar la información; la polarización, la frecuencia, una fase son
algunas de las opciones con las que se cuenta. También se debe seleccionar el protocolo para la distribución de la llave criptográfica. En las siguientes líneas se describe, en forma esquemática, un caso particular en el que se eligen como fuente un láser y en el que la
información se cifra en la polarización.

La generación y detección de fotones, la adquisición, el procesamiento y el análisis del nivel de seguridad de la información transmitida son aspectos técnicos que serán implementados en los laboratorios de información cuántica del Cinvestav Unidad Querétaro.

 

Criptografía Cuántica.

El avance dramático en las últimas décadas en lo que a las tecnologías de información y comunicación (TICs) se refiere nos pone ante panoramas de conectividad que eran, hasta hace poco, insospechados. Extrapolando dicho avance, concebimos a una CI como una
ciudad hiperconectada, sensorizada, automatizada y colaborativa. En tales escenarios, es de esperar que paralelamente aparezca gran interés por parte de grupos de origen oscuro en dirigir ataques informáticos a una CI. En este sentido, la integridad y confidencialidad de
los datos que transitan por las redes de comunicación de una CI deben tener la mayor de las prioridades. La pérdida o alteración de algunos de los datos pueden comprometer seriamente la seguridad y el funcionamiento de la CI. La protección de la integridad de la
información en una CI debe ser atendida con los mejores avances de la ciencia y la tecnología. En este punto cabe recordar que la criptografía convencional, hasta ahora utilizada masivamente, ha dado muestras de vulnerabilidades ante sofisticados ataques
informáticos perpetrados por organizaciones altamente tecnificadas. La criptografía cuántica (CC) aparece como la mejor solución para proteger la integridad de los datos que genera y procesa una CI. La CI debe tener capacidad de resistir a los ataques informáticos
más sofisticados y agresivos de los que se tiene registro, y precisamente en esto que la CC puede aplicarse. La CC tiene inclusive la potencialidad de resguardad la integridad de la información aún en aquellos escenarios en los cuales se use tecnología aún no disponible
(tales como memorias cuánticas, etc.).

 

 

 

 


Óptica Cuántica.

La capacidad de transporte de información aumenta en la medida que la frecuencia de  digitalización de la información crece. En el transporte de datos por fibra óptica, el proceso de acortamiento de los tiempos de la duración de pulsos y de la frecuencia de los mismos
tiene un límite impuesto por las características de la fibra óptica instalada en la red. Una forma de dar la vuelta a esta limitación, es acortar la duración de pulsos e incrementar la frecuencia hasta valores bien soportados por la fibra óptica, pero aumentando el número
de canales ópticos en cada fibra. Esto es, cada “color” que viaja por cada hilo de la fibra es utilizado como un canal de comunicación. En la medida que aumenta el número de “colores” que son inyectados en la fibra aumenta también la capacidad de transporte de información
por la red. Lo anterior implica la subdivisión en segmentos cada vez más finos de la ventana de comunicaciones de la fibra óptica (típicamente alrededor de los 1500 nm). La limitación estriba en la capacidad para incrementar el número de frecuencias ópticas dentro en la
ventana de comunicaciones sin que estas frecuencias se traslapen unas con otras. Para superar la limitación anterior es deseable desarrollar las tecnologías cuánticas que permitan la generación de frecuencias ópticas de muy alta estabilidad, de espectro muy angosto y
de frecuencia muy bien conocida.

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