Método de sincronización y adquisición de fotones gemelos para un procedimiento de criptografía cuántica,

que comprende las etapas de:

- generar pares de fotones entrelazados, en que los fotones en cada par son de polarización opuesta;

- suministrar un primer fotón en el par a través de un primer canal (7) de comunicación a una primera estación (4) de recepción que tiene un primer reloj (62a) que genera una referencia de tiempo para la primera estación de recepción;

- suministrar un segundo fotón en el par a través de un segundo canal (8) de comunicación a una segunda estación (5) de recepción que tiene un segundo reloj (62b) que genera una referencia de tiempo para la segunda estación de recepción;

- comparar, en cada estación de recepción, la polarización de cada fotón recibido con una primera base de referencia o segunda base de referencia seleccionadas aleatoriamente; comprendiendo cada base de referencia dos ejes perpendiculares, y estando separadas angularmente las bases de referencia primera y segunda por un ángulo dado;

- generar una señal de sincronización para activar el primer reloj y el segundo reloj; y

- buscar pares de fotones gemelos recibidos en las dos estaciones (4, 5) de recepción en el mismo instante medido partiendo de la base de la información proporcionada por los relojes respectivos;

caracterizado porque la etapa de buscar pares de fotones gemelos comprende las etapas de:

- medir, en cada estación (4, 5) de recepción, la diferencia de tiempo DT entre el instante de adquisición tn de un fotón y el instante de adquisición tn-1 del fotón recibido precedente:

DT = tn - tn-1

- reconocer un par de fotones gemelos cuando el valor absoluto de la diferencia entre la diferencia de tiempo DTa medida en una primera estación (4) de recepción y la diferencia de tiempo correspondiente DTb medida en una segunda estación (5) de recepción es menor que una ventana de tiempo de coincidencia: |DTa - DT|

Método y dispositivo para sincronizar y adquirir fotones gemelos para un procedimiento de criptografía cuántica

Campo técnico

La presente invención se refiere a un método de sincronización y adquisición de fotones gemelos para un procedimiento de criptografía cuántica.

La presente invención también se refiere a un dispositivo para sincronizar y adquirir fotones gemelos, que puede usarse en un sistema de criptografía cuántica.

Técnica anterior Tal como se conoce, la criptografía cuántica emplea principios de física cuántica para generar, transmitir y decodificar información a un nivel de seguridad extremadamente alto.

Un ejemplo de estos procedimientos se da a conocer en BOVINO F A ET AL: "Demonstration of secure quantum key distribution" PROCEEDINGS OF THE SPIE - THE INTERNATIONAL SOCIETY FOR OPTICAL ENGINEERING SPIEINT. SOC. OPT. ENG USA, vol. 5105, 2003, páginas 1-10, XP002337235 ISSN: 0277-786X.

Tales procedimientos se basan en varias etapas, que incluyen:

a) Crear un par de fotones entrelazados. Esto se realiza excitando un cristal lineal birrefringente (por ejemplo, borato de bario beta) usando un haz de láser (en particular un haz de láser pulsante) para crear un par de fotones de la misma frecuencia y polarización opuesta (vertical/horizontal) .

b) Transmisión cuántica aproximada. Los pares de fotones generados se transmiten por canales de transmisión estrictamente privados respectivos (por ejemplo, fibras ópticas o vacío) a un usuario primero y segundo.

c) Adquisición aleatoria. Cada usuario compara el único fotón recibido con una primera base de referencia (base A) y una segunda base de referencia (base B) . Cada base de referencia comprende dos ejes perpendiculares, y las dos bases están separadas angularmente en un ángulo predeterminado (por ejemplo, 45º) . Puesto que la polarización del fotón adquirido puede ser paralela o no a un eje de la base, la comparación facilita un resultado binario (0, 1) .

d) Discusión pública. Por un canal público, los dos usuarios comparan el tipo de base (base A, base B) usada para realizar la comparación, pero sin intercambiar los resultados de la comparación entre el fotón y la base. Cuando las bases usadas para la comparación coinciden, los resultados de la comparación realizada por los dos usuarios son comparables. Por tanto, se descartan los resultados de la comparación realizada por los dos usuarios en relación con el mismo par de fotones pero con bases diferentes (bases A, B y B, A respectivamente) para reducir el conjunto de datos y formar un conjunto de datos "tamizados" relacionados únicamente con los resultados de la comparación realizada del mismo par de fotones con la misma base. Debido al principio cuántico al que se ha hecho referencia anteriormente (cada par de fotones tiene polarizaciones opuestas) , cada resultado (0, 1) adquirido por un primer usuario debe corresponder a un usuario opuesto (1, 0) adquirido por el segundo usuario con la misma base. Por consiguiente, los datos tamizados adquiridos por el primer usuario deben ser opuestos (en el sentido binario) a los datos adquiridos por el segundo usuario.

e) Prueba de espionaje. Los dos usuarios intercambian subconjuntos de datos tamizados por el canal público para garantizar que los datos se correlacionan realmente tal como se describió anteriormente. Si es así, se reconoce con la absoluta seguridad de los datos recibidos. Si no es así, se indica el posible espionaje de la transmisión de datos por el canal estrictamente privado. De hecho, cualquier intento de medir y/o copiar los datos transmitidos por el canal estrictamente privado afecta a la relación de polarización (vertical/horizontal) del par, proporcionando así a los usuarios una alerta de espionaje clara. Debido a la imposibilidad de clonar o extraer información del estado cuántico, la criptografía cuántica proporciona la generación de una clave de usuario prácticamente de máxima seguridad.

f) Corrección de errores. Ambos usuarios evalúan la seguridad de sus claves de código realizando una comprobación de paridad de ciertos subconjuntos de datos tamizados por el canal público. Por motivos de seguridad, esto se realiza usando conjuntos de datos muy limitados.

En pruebas de laboratorio de sistemas de criptografía cuántica, los fotones en el par se adquieren por coincidencia, es decir, cuando un primer usuario detecta la llegada de un primer fotón en el par, se abre una ventana de tiempo en la que el segundo usuario espera la llegada del segundo fotón en el par. Puesto que las pruebas permiten controlar las trayectorias de los fotones y la propagación de las señales eléctricas entre usuarios, los problemas de sincronización se resuelven fácilmente.

En el uso real, sin embargo, los canales de transmisión por los que se transmiten los fotones individuales en el par son mucho más largos (pueden tener incluso muchos kilometres de longitud) , de modo que los fotones en el par alcanzan al usuario primero y segundo en instantes ampliamente diferentes, debido a los retardos de transmisión introducidos por cada canal de comunicación.

En tal caso, resulta impensable la adquisición de pares de fotones basándose en la coincidencia, como en las pruebas de laboratorio.

Descripción de la invención Un objeto de la presente invención es proporcionar un método de sincronización para un procedimiento de criptografía cuántica, que puede implementarse y usarse para obtener ventajas con respecto a los sistemas de sincronización que funcionan actualmente.

Según la presente invención, se proporciona un método de sincronización y adquisición de fotones gemelos para un procedimiento de criptografía cuántica que comprende las etapas de: generar pares de fotones entrelazados, en que los fotones en cada par son de polarización opuesta; suministrar un primer fotón en el par para un primer canal de comunicación a una primera estación de recepción que tiene un primer reloj que genera una referencia de tiempo para la primera estación de recepción; suministrar un segundo fotón en el par para un segundo canal de comunicación a una segunda estación de recepción que tiene un segundo reloj que genera una referencia de tiempo para la segunda estación de recepción; comparar, en cada estación de recepción, la polarización de cada fotón recibido con una primera base de referencia o segunda base de referencia seleccionadas aleatoriamente, comprendiendo cada base de referencia dos ejes perpendiculares, y estando separadas angularmente la base de referencia primera y segunda por un ángulo dado; generar una señal de sincronización para activar el primer reloj y el segundo reloj; y buscar pares de fotones gemelos recibidos en las dos estaciones de recepción sustancialmente en el mismo instante medido partiendo de la base de la información proporcionada por los relojes respectivos; caracterizado porque la etapa de buscar pares de fotones gemelos comprende las etapas de: medir, en cada estación de recepción, la diferencia de tiempo ΔT entre el instante de adquisición tn de un fotón y el instante de adquisición tn-1 del fotón recibido precedente: ΔT = tn - tn-1; reconocer un par de fotones gemelos cuando la diferencia de tiempo ΔTa medida en una primera estación de recepción y la diferencia de tiempo correspondiente ΔTb medida en una segunda estación de recepción coinciden sustancialmente, y en particular cuando el valor absoluto de la diferencia entre ΔTa y ΔTb es menor que una ventana de tiempo de coincidencia: |ΔTa -ΔTb|<w; y repetir las etapas de medición y reconocimiento.

La presente invención también se refiere a un dispositivo para sincronizar y adquirir fotones gemelos para un procedimiento de criptografía cuántica que comprende: una fuente de fotones para generar pares de fotones entrelazados de polarización opuesta; un primer canal de comunicación para transmitir un primer fotón en el par; un segundo canal de comunicación para transmitir un segundo fotón en el par; una primera estación de recepción para recibir los fotones procedentes del primer canal de comunicación; y una segunda estación de recepción para recibir los fotones procedentes del segundo canal de comunicación; teniendo dicha estación de recepción primera y segunda un reloj primero y segundo, respectivamente, para generar referencias de tiempo respectivas para las estaciones de recepción; comprendiendo cada estación de recepción medios de referencia para comparar la polarización de cada... [Seguir leyendo]

1. Método de sincronización y adquisición de fotones gemelos para un procedimiento de criptografía cuántica, que comprende las etapas de:

- generar pares de fotones entrelazados, en que los fotones en cada par son de polarización opuesta;

- suministrar un primer fotón en el par a través de un primer canal (7) de comunicación a una primera estación (4) de recepción que tiene un primer reloj (62a) que genera una referencia de tiempo para la primera estación de recepción;

- suministrar un segundo fotón en el par a través de un segundo canal (8) de comunicación a una segunda estación

(5) de recepción que tiene un segundo reloj (62b) que genera una referencia de tiempo para la segunda estación de recepción;

- comparar, en cada estación de recepción, la polarización de cada fotón recibido con una primera base de referencia o segunda base de referencia seleccionadas aleatoriamente; comprendiendo cada base de referencia dos ejes perpendiculares, y estando separadas angularmente las bases de referencia primera y segunda por un ángulo dado;

- generar una señal de sincronización para activar el primer reloj y el segundo reloj; y

- buscar pares de fotones gemelos recibidos en las dos estaciones (4, 5) de recepción en el mismo instante medido partiendo de la base de la información proporcionada por los relojes respectivos;

caracterizado porque la etapa de buscar pares de fotones gemelos comprende las etapas de:

- medir, en cada estación (4, 5) de recepción, la diferencia de tiempo ΔT entre el instante de adquisición tn de un fotón y el instante de adquisición tn-1 del fotón recibido precedente:

ΔT = tn - tn-1

- reconocer un par de fotones gemelos cuando el valor absoluto de la diferencia entre la diferencia de tiempo ΔTa medida en una primera estación (4) de recepción y la diferencia de tiempo correspondiente ΔTb medida en una segunda estación (5) de recepción es menor que una ventana de tiempo de coincidencia: |ΔTa -ΔT| <w: y

- repetir las etapas de medición y reconocimiento.

2. Método según la reivindicación 1, en el que los fotones se generan con una frecuencia v de (α-β) /w o superior, donde α y β son parámetros que tienen en cuenta el grado en que se desvía la frecuencia del reloj primero/segundo de la frecuencia nominal, y w representa la ventana de tiempo de coincidencia.

3. Método según la reivindicación 1, en el que la etapa de generar una señal de sincronización comprende las etapas de:

- suministrar un haz óptico de sincronización a las entradas del canal de comunicación primero y segundo;

- determinar la recepción del haz óptico de sincronización en la estación de recepción primera y segunda; y

- sincronizar el reloj respectivo en cada estación de recepción con la recepción de dicho haz óptico de sincronización.

4. Método según la reivindicación 3, en el que dicha etapa de comparación se realiza suministrando los fotones recibidos, con la misma probabilidad, a un primer par de detectores (50, 51) asociados con la primera base de referencia, o a un segundo par de detectores (53, 54) asociados con la segunda base de referencia; estando asociado cada detector en el par con un eje de referencia respectivo perpendicular al otro eje de referencia; activándose cada detector cuando el fotón recibido por él adopta una relación predeterminada y comprendiendo dicha etapa de medición la etapa de determinar la activación de ambos detectores de una estación de recepción con la recepción de dicho haz óptico de sincronización.

5. Método según la reivindicación 1, y que comprende las etapas de suministrar sobre ambos canales de comunicación una señal adicional conocida reconocible para aumentar la frecuencia total de la señal recibida por la

estación (4, 5) de recepción primera y segunda; y reconocer y eliminar la señal adicional en dichas estaciones (4, 5) de recepción.

6. Dispositivo para sincronizar y adquirir fotones gemelos para un procedimiento de criptografía cuántica que comprende:

- una fuente (2) de fotones para generar pares de fotones entrelazados de polarización opuesta;

- un primer canal (7) de comunicación para transmitir un primer fotón en el par;

- un segundo canal (8) de comunicación para transmitir un segundo fotón en el par;

- una primera estación (4) de recepción para recibir los fotones procedentes del primer canal (7) de comunicación; y

- una segunda estación (5) de recepción para recibir los fotones procedentes del segundo canal (8) de comunicación;

teniendo dicha estación de recepción primera y segunda un reloj (62a, 62b) primero y segundo, respectivamente, para generar referencias de tiempo respectivas para las estaciones de recepción;

comprendiendo cada estación de recepción medios de referencia para comparar la polarización de cada fotón recibido con una primera base de referencia o segunda base de referencia seleccionadas aleatoriamente; comprendiendo cada base de referencia dos ejes perpendiculares, y estando separadas angularmente la base de referencia primera y segunda por un ángulo dado;

recibiendo dicha estación de recepción primera y segunda una señal de sincronización para activar el primer reloj y el segundo reloj;

y teniendo cada estación de recepción medios de búsqueda para buscar pares de fotones gemelos recibidos en las dos estaciones (4, 5) de recepción en el mismo instante medido partiendo de la base de la información proporcionada por los relojes respectivos;

caracterizado porque dichos medios de búsqueda comprenden:

- medios (110) de comparación para medir, en cada estación (4, 5) de recepción, la diferencia de tiempo ΔT entre el instante de adquisición tn de un fotón y el instante de adquisición tn-1 del fotón recibido precedente

ΔT = tn - tn-1

- medios (120) de detección para reconocer un par de fotones gemelos cuando el valor absoluto de la diferencia entre la diferencia de tiempo ΔTa medida en una primera estación (4) de recepción y la diferencia de tiempo correspondiente ΔTb medida en una segunda estación (5) de recepción es menor que una ventana de tiempo de coincidencia: |ΔTa -ΔTb|<w; y

- medios (120) de nueva selección para volver a seleccionar dichos medios de comparación y dichos medios de detección y repetir las operaciones de medición y reconocimiento.