Red cuántica de DARPA

La Red Cuántica de DARPA (2002–2007) fue la primera red de distribución de claves cuánticas (QKD) del mundo , operando 10 nodos ópticos en Boston y Cambridge, Massachusetts . ^{[ 1 ]} Entró en pleno funcionamiento el 23 de octubre de 2003 en los laboratorios de BBN, y en junio de 2004 se desplegó a través de fibra oscura bajo las calles de Cambridge y Boston, donde funcionó continuamente durante más de 3 años. ^{[ 2 ]} El proyecto también creó y desplegó el primer detector de fotones individuales de nanocables superconductores del mundo . Fue patrocinado por DARPA como parte del programa QuIST , ^{[ 3 ]} y construido y operado por BBN Technologies en estrecha colaboración con colegas de la Universidad de Harvard y el Centro de Fotónica de la Universidad de Boston .

La red cuántica de DARPA era totalmente compatible con la tecnología estándar de Internet y podía proporcionar material de clave derivado de QKD para crear redes privadas virtuales , admitir IPsec u otros sistemas de autenticación, o para cualquier otro propósito. Todos los mecanismos y protocolos de control se implementaron en el núcleo de Unix y en matrices de puertas programables en campo ( FPGA). El material de clave derivado de QKD se utilizaba habitualmente para videoconferencias y otras aplicaciones.

La Red Cuántica de DARPA se construyó por etapas. ^{[ 4 ]} En el primer año del proyecto (año 1), BBN diseñó y construyó un sistema QKD completo (Alice y Bob), con una fuente láser atenuada (~ 0,1 número medio de fotones) que funcionaba a través de fibra de telecomunicaciones, modulada en fase mediante un interferómetro Mach-Zender estabilizado activamente . BBN también implementó un conjunto completo de protocolos QKD de nivel industrial basados ​​en BB84 . En el año 2, BBN creó dos versiones 'Mark 2' de este sistema (4 nodos) con detectores InGaAs de calidad comercial creados por IBM Research . Estos 4 nodos funcionaron continuamente en el laboratorio de BBN desde octubre de 2003, luego dos se desplegaron en Harvard y la Universidad de Boston en junio de 2004, cuando la red comenzó a funcionar continuamente en el área metropolitana de Boston, 24x7. En el año 3, la red se expandió a 8 nodos con la adición de un sistema basado en entrelazamiento (derivado del trabajo en la Universidad de Boston ) diseñado para fibras de telecomunicaciones, y un enlace atmosférico (espacio libre) de alta velocidad diseñado y construido por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . En el año 4, BBN agregó un segundo enlace de espacio libre a la red general, utilizando nodos creados por Qinetiq , e investigó protocolos y detectores QKD mejorados. Finalmente, en el año 5, BBN agregó el primer detector de fotones individuales de nanocables superconductores del mundo a la red operativa. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Fue creado por una colaboración entre investigadores de BBN, la Universidad de Rochester y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología; ese primer sistema de 100  MHz funcionó 20 veces más rápido que cualquier detector de fotones individuales existente en longitudes de onda de telecomunicaciones. ^{[ 7 ] [ 8 ]} En ese último año, BBN también colaboró ​​con investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts para implementar y experimentar con una versión de prueba de concepto del primer espía cuántico del mundo (Eve). ^{[ 9 ]}

Cuando se construyó por completo, los 10 nodos de la red eran los siguientes. ^{[ 10 ]} Todos ejecutaban los protocolos de distribución de claves cuánticas y de red cuántica de BBN, por lo que interoperaban para lograr una distribución de claves de cualquier a cualquier.

• Alice, Bob – 5  MHz, pulsos láser atenuados a través de fibra de telecomunicaciones, modulados en fase
• Anna, Boris – 5  MHz, pulsos láser atenuados a través de fibra de telecomunicaciones, modulados en fase
• Alex, Barb – fotones basados ​​en entrelazamiento a través de fibra de telecomunicaciones, modulados por polarización
• Ali, Baba – aproximadamente 400  MHz, pulsos láser atenuados a través de la atmósfera, modulados por polarización
• Amanda, Brian: pulsos láser atenuados a través de la atmósfera, modulados por polarización.

La Red Cuántica de DARPA implementó una variedad de protocolos de distribución de claves cuánticas para explorar sus propiedades. ^{[ 11 ]} Todos se integraron en una única pila de protocolos de calidad de producción. La autenticación se basó en claves públicas, claves privadas compartidas o una combinación de ambas. (Las claves privadas compartidas podían actualizarse con claves derivadas de QKD). La amplificación de la privacidad se implementó mediante GF[2n] Universal Hash . La estimación de la entropía se basó en la entropía de Rényi y se implementó mediante los protocolos BBBSS 92, Slutsky, Myers/Pearson y Shor/Preskill. La corrección de errores se implementó mediante una variante BBN del protocolo Cascade o el protocolo BBN Niagara, que proporcionó una operación eficiente de una sola pasada cerca del límite de Shannon mediante corrección de errores hacia adelante basada en códigos de verificación de paridad de baja densidad (LDPC). El filtrado se realizó mediante métodos tradicionales, codificación de longitud de ejecución o el llamado filtrado "SARG".

También implementó dos formas principales de protocolos de red QKD. ^{[ 12 ]} Primero, el reenvío de claves empleó nodos "de confianza" en la red para reenviar materiales para la destilación de claves entre los dos puntos finales. Este enfoque permitió que los nodos acordaran material de clave compartido incluso si estaban implementados a través de dos tecnologías incompatibles; por ejemplo, un nodo basado en modulación de fase a través de fibra podía intercambiar claves con uno basado en modulación de polarización a través de la atmósfera. De hecho, incluso permitió que los transmisores compartieran material de clave con otros transmisores (compatibles o incompatibles). Además, el material de clave en bruto podía enrutarse por múltiples rutas "separadas" a través de la red (por ejemplo, rutas disjuntas) y recombinarse de extremo a extremo, eliminando así la ventaja que Eve obtendría al controlar uno de los nodos de la red en el camino. Segundo, los protocolos de enrutamiento óptico conscientes de QKD permitieron que los nodos controlaran conmutadores ópticos transparentes dentro de la red, de modo que múltiples sistemas QKD pudieran compartir la misma infraestructura de red óptica.

• "Construyendo la red cuántica", Chip Elliott, en New Journal of Physics , julio de 2002.
• "Criptografía cuántica en la práctica", Chip Elliott, David Pearson, Gregory Troxel, ACM SIGCOMM 2002.
• "Control de la longitud de trayectoria en un enlace QKD interferométrico", Chip Elliott, Oleksiy Pikalo, John Schlafer, Greg Troxel, Actas de AeroSense 2003 , Volumen 5105, Información cuántica y computación , 2003.
• "La red cuántica de DARPA" , Chip Elliott, diciembre de 2004.
• "Estado actual de la red cuántica de DARPA", Chip Elliott, Alexander Colvin, David Pearson, Oleksiy Pikalo, John Schlafer, Henry Yeh, SPIE Defense + Commercial Sensing 2005.
• "Construyendo una red QKD a partir de teorías y dispositivos" (presentación de diapositivas), David Pearson,
• "La red cuántica de DARPA", C. Elliott, en Comunicaciones cuánticas y criptografía , editado por Alexander V. Sergienko, CRC Press, 2005.
• "Sobre el número medio óptimo de fotones para la criptografía cuántica", David Pearson y Chip Elliott, en Computer Science and Quantum Computing , editado por James E. Stones, Nova Science Publishers, 2007.
• Banco de pruebas de la red cuántica de DARPA: Informe técnico final , Chip Elliott y Henry Yeh, BBN Technologies, julio de 2007.
• "La interconexión en redes cuánticas" , Chip Elliott, 2018.