Estado señuelo

Dentro de la criptografía cuántica , el protocolo de distribución de clave cuántica (QKD) del estado señuelo es el esquema de QKD más ampliamente implementado. Los sistemas prácticos de QKD utilizan fuentes de múltiples fotones, en contraste con el protocolo BB84 estándar , lo que los hace susceptibles a ataques de división del número de fotones (PNS). Esto limitaría significativamente la tasa de transmisión segura o la longitud máxima del canal en sistemas prácticos de QKD. En la técnica del estado señuelo, esta debilidad fundamental de los sistemas prácticos de QKD se aborda mediante el uso de múltiples niveles de intensidad en la fuente del transmisor, es decir, los qubits son transmitidos por Alice utilizando niveles de intensidad elegidos aleatoriamente (un estado de señal y varios estados señuelo), lo que da como resultado estadísticas de número de fotones variables en todo el canal. Al final de la transmisión, Alice anuncia públicamente qué nivel de intensidad se ha utilizado para la transmisión de cada qubit. Un ataque PNS exitoso requiere mantener la tasa de error de bit (BER) en el extremo del receptor, lo que no se puede lograr con múltiples estadísticas de número de fotones. Al monitorear los BER asociados con cada nivel de intensidad, las dos partes legítimas podrán detectar un ataque PNS, con tasas de transmisión seguras altamente incrementadas o longitudes de canal máximas, lo que hace que los sistemas QKD sean adecuados para aplicaciones prácticas.

En las pruebas de seguridad de los protocolos QKD, como BB84 , se supone que el remitente, Alice, utiliza una única fuente de fotones. En realidad, no existe una fuente de fotón única perfecta. En cambio, se utilizan ampliamente fuentes prácticas, como la fuente láser de estado coherente débil , para QKD. El problema clave con estas fuentes QKD prácticas radica en sus componentes multifotónicos. Existe una grave laguna de seguridad cuando Alice utiliza estados multifotónicos como portadores de información cuántica. Con componentes multifotónicos, un espía, Eve, podría en principio dividir los fotones, quedarse con un fotón y enviar el resto a Bob. Después de que Alice y Bob anuncien la información base, Eve puede medir el fotón interceptado para obtener la información clave. Cuando el canal tiene pérdidas, Eve puede lanzar ataques más sofisticados, como el ataque de división del número de fotones. Para minimizar los efectos de los estados multifotónicos, Alice tiene que utilizar una fuente láser extremadamente débil, lo que da como resultado una velocidad relativamente baja de QKD. Se propone el método del estado señuelo para resolver este problema de múltiples fotones utilizando unas pocas intensidades de fotones diferentes en lugar de una. Con los estados señuelo, las fuentes prácticas, como una fuente de estado coherente o una fuente de conversión descendente paramétrica (PDC) anunciada, funcionan casi tan bien como una fuente de un solo fotón. ^[1]

El esquema de estado señuelo fue propuesto por Won-Young Hwang de la Universidad Northwestern . ^[2] Más tarde, su seguridad se demostró desarrollando un modelo de canal de número de fotones y asumiendo el uso de un número infinito de estados señuelo. ^[3] Un método de estado señuelo práctico común solo necesita dos estados señuelo, señuelo de vacío y señuelo débil. Este método de estado señuelo de vacío + débil fue propuesto por primera vez por Hoi-Kwong Lo de la Universidad de Toronto , ^[4] y luego fue analizado por otros. ^{[5] [6]} Se ha demostrado que con solo los estados señuelo de vacío y débil, la tasa de clave lograda es muy cercana al caso del estado señuelo infinito. ^[6]

El primer experimento con el método de estado señuelo fue realizado por el grupo de Hoi-Kwong Lo y su colaborador Li Qian, ^[7] donde se emplea el método de un solo estado señuelo ^{[6] . La distancia de transmisión es de 15 km y la velocidad de generación de claves es de 165 bit/s. Luego, se demuestra una QKD de mayor distancia con el método de vacío + estado señuelo débil a través de una fibra de 60 km. [8]} Más tarde, tres grupos experimentales demuestran el método de estado señuelo a distancias de 100 km. ^{[9] [10] [11]} Hay muchas otras demostraciones posteriores. ^{[12] [13]}

También se han analizado los protocolos QKD de estados señuelo con fuentes de estados no coherentes. El protocolo de estados señuelo pasivos, donde los estados señuelo se preparan de forma pasiva, se propone como una fuente de conversión descendente paramétrica . ^{[14] [15]}

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