SISTEMA DE DISTRIBUCION DE CLAVE CUANTICA BASADO EN MODULACION DE FRECUENCIA Y FASE DIFERENCIAL.

Sistema de distribución de clave cuántica basado en modulación de frecuencia y fase diferencial.

Combina la técnica de modulación en frecuencia y la técnica de fase diferencial de forma que en el emisor (15) se emplean dos osciladores (18, 18a) cuya fase se modula tomando valores 0 o π mediante la utilización de desfasadores (19). La señal eléctrica modulada en fase se aplica a un modulador electro-óptico (17, 17a) para realizar una modulación en frecuencia sobre una fuente óptica que emite pulsos con un fotón. La señal se recibe en un receptor (16) que mediante un modulador electro-óptico (22, 22a) al que se aplica una frecuencia con desfase 0, produce una interferencia entre dos frecuencias ópticas, que permite detectar en que frecuencia se recibe el fotón para obtener el bit enviado en función de la fase seleccionada por el emisor (16). El receptor envía al emisor la frecuencia en la se ha producido la detección, detectando dicho emisor el bit detectado por el receptor.

Sistema de distribucion de clave cuantica basado en modulacion de frecuencia y fase diferencial

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invencion, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un sistema de distribucion de clave cuantica que tiene por objeto distribuir la clave cuantica mediante una modulacion en frecuencia y de fase diferencial para conseguir una mayor tasa de transmision de la clave asi como una mayor sencillez en el control del emisor y receptor.

En general, la invencion es aplicable en los sistemas de comunicaciones cuanticas, y mas concretamente en la distribucion de claves cuanticas o criptografia cuantica para proporcionar medidas de seguridad adecuadas que garanticen la proteccion efectiva en las comunicaciones y los derechos de los usuarios, como por ejemplo sucede en muchos ambitos como es el caso de aplicaciones bancarias, militares, aero-espaciales, firmas electronicas y en transmision de resultados electorales.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En los sistemas de distribucion de claves cuanticas es conocido el uso de dos tipos de algoritmos para cifrar la informacion de manera segura, que son los algoritmos de clave publica y los algoritmos de clave privada.

Dentro de los algoritmos de clave publica existen dos claves diferentes; una para cifrar la informacion, que es una clave publica; y otra para descifrarla que es una clave privada. La clave publica para cifrar la informacion es conocida por todos los usuarios, mientras que la clave privada para descifrarla solo es conocida por el destinatario del mensaje, de forma que este es el unico que puede descifrar la informacion. Este algoritmo se basa en la factorizacion de numeros primos para mantener la seguridad, lo cual resulta efectivo ya que los metodos que se requieren para atacar el sistema son poco eficientes, al resultar muy costoso para los computadores de hoy en dia conseguir el mensaje, pues pueden tardar cientos de aros.

Estos algoritmos de clave publica, aun siendo eficientes en el presente, presentan el problema de que no pueden asegurar que en un futuro se pueda encontrar un metodo mas eficiente con el cual el atacante pueda reducir este tiempo. Asi pues el algoritmo de clave publica no proporciona seguridad incondicional que implique que la informacion permanezca segura aun en el caso en el que se asuma un poder computacional infinito del atacante.

Respecto a los algoritmos de clave privada, la clave para cifrar el mensaje es la misma que para descifrarlo, por tanto, solo puede ser conocida por el emisor y el receptor. Estos algoritmos presentan seguridad incondicional siempre y cuando se use una sola vez la clave, es decir, no se puede usar la misma clave para mandar dos mensajes.

Estos algoritmos de clave privada presentan el problema de que se ha de garantizar la transmision de una clave segura entre el emisor y el receptor para que puedan cifrar y descifrar el mensaje. Es aqui donde entran en juego los sistemas de distribucion de clave, y mas concretamente los sistemas de distribucion de clave cuantica (QKD Quantum Key Distribution) . Estos sistemas se basan en las leyes de la fisica cuantica para asegurar que la clave se transmite de manera segura entre el emisor y el receptor de tal manera que si un espia trata de adquirir informacion de esta clave producira errores en la transmision que el emisor y el receptor podran detectar y de esta forma notar la presencia de un ataque. Ello es debido a que una clave cuantica, cuando se trata de leer cambia su estado.

La primera propuesta de un sistema QKD fue efectuada en 1984 por Charle Bennet y Gilles Brassard, que se basaba en un protocolo conocido como BB84 que ellos mismos inventaron. Esta tecnica propone codificar los ceros y unos de las claves en el estado de polarizacion de fotones individuales. Gracias a las leyes de la fisica cuantica dichos bits no pueden ser interceptados, ya que si un espia los midiera, su estado cambiaria inmediatamente debido a que un sistema cuantico no puede ser medido sin perturbar el sistema en si, tal y como ya fue comentado anteriormente.

En este protocolo, se lleva a cabo una etapa conocida con el nombre de reconciliacion de bases, donde la mitad de los bits de la clave son descartados y resulta ser un paso fundamental para mantener la seguridad.

Posteriormente se han desarrollado varios sistemas de distribucion de clave cuantica que desarrollan el protocolo BB84. Las tecnologias fotonicas han demostrado ser un medio adecuado para la implementacion de sistemas QKD para la distribucion de claves entre usuarios a varios cientos de kilometros. Los sistemas propuestos para llevar a cabo el protocolo BB84 se puede agrupar en tres tipos:

a) El primero fue propuesto en 1992 por Bennet y sus colaboradores, que utilizaban la polarizacion de los fotones en un sistema QKD para transmitir la clave. Este sistema se enfrenta al problema de conservar la polarizacion de los estados a traves del enlace de fibra optica.

b) El segundo tipo fue propuesto por Townsend y colaboradores en 1993, que se basa en el uso de retardos en los fotones enviados y su analisis mediante el uso de interferometros de fibra balanceados. El principal problema para trabajar con estos sistemas consiste en conseguir que los interferometros de fibra no se desajusten debido a factores mecanicos y ambientales.

c) El tercer tipo fue propuesto en 1999 por J.M. Merolla y colaboradores; en el que se codifica la informacion en las bandas laterales que aparecen en una seral de luz modulada por una onda de radiofrecuencia. Estos sistemas se conocen como FC-QKD debido a su codificacion en frecuencia (FC) .

En cualquiera de los tres casos existe el problema de que la tasa de transferencia de bits es muy baja. Ademas la clave es codificada en estados cuanticos de forma que, para preservar la seguridad del sistema, solo un foton puede llevar la informacion de cada bit. Debido a la dificultad de crear fuentes con un solo foton se debe recurrir a fuentes semiclasicas donde la energia se reduce a niveles tales que se da la circunstancia de que la probabilidad de que un pulso lleve solo un foton descienda al 10%. En consecuencia, aproximadamente el 90% de los pulsos enviados estan vacios de informacion. Si a este hecho se le arade la necesidad de utilizar en el destino un protocolo de destilacion de clave la tasa de transferencia del bit se reduce aun mas. Para incrementar esta tasa de bits se recurre a tecnicas usadas en telecomunicaciones como la multiplexacion de subportadora.

En el aro 2002 se propone un nuevo protocolo basado en una tecnica de uso comun en sistemas de comunicaciones opticas coherentes para QKD que consiste en la modulacion de fase diferencial (DPS- Differential Phase Shift) . Este protocolo, a diferencia del protocolo BB84, no necesita una etapa de reconciliacion de bases, resultando mas eficiente ya que no se descartan la mitad de los bits ademas de la mayor sencillez en la etapa de recepcion. La principal desventaja que presentan los sistemas que funcionan con este protocolo es precisamente que necesitan un interferometro optico en el transmisor y receptor, el cual resulta muy complejo de mantener estable frente a fluctuaciones ambientales. Ademas la ampliacion de su capacidad de transmision, que puede conseguirse al aumentar el numero de caminos opticos de forma considerable, complica sustancialmente la operacion del sistema. A raiz de este protocolo se han desarrollado algunas variantes como el protocolo DQPS (diferencia de fase en cuadratura) cuya finalidad es proporcionar una mayor seguridad al sistema frente a ataques secuenciales.

Un ejemplo de un sistema QKD con DPS se describe en la Patente US 2010 0034390, cuyo contenido se describe en mayor detalle en el apartado de formas de realizacion preferidas de la invencion, para facilitar la comprension de la invencion.

No existe un sistema que use el protocolo DPSK (DPS Keying) en combinacion con modulacion en frecuencia. La invencion propone un nuevo sistema que realiza la distribucion de clave cuantica basandose en la combinacion de la tecnica de modulacion en frecuencia y la tecnica de fase diferencial, lo que evita el uso de interferometros opticos en el dominio del tiempo en el transmisor y receptor.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Para conseguir los objetivos y resolver los inconvenientes anteriormente indicados, la invencion ha desarrollado un nuevo sistema de distribucion de clave cuantica que emplea modulacion de fase diferencial y modulacion en frecuencia.

Para ello el sistema de la invencion comprende un emisor que incluye una fuente de fotones pulsada con una frecuencia optica W0 y una determinada tasa de repeticion para modularla con una clave digital que envia a un receptor.

La invencion se caracteriza...

1. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE CLAVE CUÁNTICA BASADO EN MODULACIÓN DE FRECUENCIA Y FASE DIFERENCIAL, que comprende un emisor que incluye una fuente de fotones (3) pulsada con una frecuencia optica W0 y una determinada tasa de repeticion para modularla con una clave digital que envia un receptor; caracterizado por que el emisor (15) ademas comprende:

-dos osciladores de radiofrecuencia (18, 18a) de diferentes frecuencias 01 y 02 y misma amplitud;

-dos desfasadores de radiofrecuencia (19) cA1 y cA2que pueden tomar valores de desfase seleccionados entre 0 y n y cada uno de los cuales esta conectado a uno de dichos osciladores de radiofrecuencia para modular su fase; estando los desfasadores de radiofrecuencia (19) conectados a

-un modulador electro-optico (1º, 1ºa) que a su vez esta conectado a la fuente optica de fotones (3) , para realizar una modulacion en frecuencia de la seral optica, generando una portadora W0 y bandas laterales W0 . 01 y W0 . 02 que estan desfasadas con un valor cA1 (0, n) y cA2 (0, n) respectivamente, cuyos desfases determinan la codificacion digital de la clave, enviando la seral modulada al receptor (1º) por un canal de fibra optica (10) ;

-medios convencionales de obtencion de un bit, detectado por el receptor (1º) correspondiente a la clave enviada, a partir de la frecuencia optica en la que el receptor (1º) ha detectado el foton, y a partir del desfase de las frecuencias que fueron enviadas por el emisor (15) ; donde dicha frecuencia optica se envia al emisor (15) desde el receptor (1º) a traves de un canal autentificado;

comprendiendo dicho receptor:

-al menos un oscilador de radiofrecuencia (23, 23a) 01 que esta conectado a

-un desfasador (24) cA1 para establecer una fase inicial de valor 0 del al menos oscilador de radiofrecuencia 01, que esta conectado a

-un modulador electro-optico (22, 22a) de recepcion de las serales enviadas por el emisor (15) que las modula a la frecuencia 01, produciendo una interferencia entre dos frecuencias opticas consecutivas recibidas, y genera distintas bandas laterales correspondientes a las frecuencias opticas interferentes en funcion de las fases de dichas serales interferentes; comprendiendo el modulador dos salidas, y estando configurado para enviar las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases detectadas son coincidentes a una de las salidas; y para enviar las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases no son coincidentes a la otra salida; y estando la salida del modulador electro-optico a la que se envian las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases detectadas son coincidentes conectada a

-un primer detector (25) de las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases detectadas son coincidentes y que comprende un filtro optico (2º) con al menos dos ventanas de frecuencia, correspondientes a cada una de las frecuencias de la interferencia en las que se puede detectar un foton; donde cada ventana de frecuencia esta conectada a un contador de fotones (28) de deteccion de la frecuencia en la que se ha detectado un foton, para distincion de dicha frecuencia en la que se ha producido la deteccion; correspondiendose dicha deteccion con la deteccion de un bit seleccionado entre un º0º y un º1º;

y estando la salida del modulador electro-optico a la que se envian las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases detectadas no son coincidentes conectada a

-a un segundo detector (25a) de las frecuencias generadas en la interferencia cuyas fases no son coincidentes, y que comprende un filtro optico (2º) con al menos dos ventanas de frecuencia correspondientes a cada una de las frecuencias de la interferencia en las que se puede detectar un foton; estando cada una de dichas ventanas conectadas a un contador de fotones (28) de deteccion de la frecuencia en la que se ha detectado un foton, para distincion de dicha frecuencia en la que se ha producido la deteccion; correspondiendose dicha deteccion con la deteccion de un bit seleccionado entre un º0º y un º1

-medios para enviar al emisor por un canal autentificado la frecuencia optica de interferencia en la que se ha producido la deteccion de un bit.

2. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE CLAVE CUÁNTICA BASADO EN MODULACIÓN DE FRECUENCIA Y FASE DIFERENCIAL, segun reivindicacion 1, caracterizado por que el modulador electro-optico del emisor y receptor es un modulador de banda lateral unica con un nivel de portadora optica equivalente al de las bandas laterales generadas.

3. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE CLAVE CUÁNTICA BASADO EN MODULACIÓN DE FRECUENCIA Y FASE DIFERENCIAL, segun reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por que uno de los osciladores de radiofrecuencia del emisor es de una frecuencia de oscilacion de valor 01 º 0 y el otro oscilador es de una frecuencia el doble 02 º 20; en tanto que el oscilador del receptor es de una frecuencia de valor igual a la frecuencia 01.

4. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE CLAVE CUÁNTICA BASADO EN MODULACIÓN DE FRECUENCIA Y FASE DIFERENCIAL, segun reivindicacion 1, caracterizado por que el modulador electro-optico del emisor y del receptor es un modulador de banda lateral unica con un nivel de portadora optica superior al de las bandas laterales generadas.

5. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE CLAVE CUÁNTICA BASADO EN MODULACIÓN DE FRECUENCIA Y FASE DIFERENCIAL, segun reivindicaciones 1 y 4, caracterizado por que el receptor comprende dos osciladores de radiofrecuencia (23a) de frecuencia igual a la de los osciladores (18a) del emisor respectivamente (01 y 02) ; y cada uno de dichos osciladores (23a) del receptor esta conectado a un desfasador (24a) cB1 y cB2 para establecer una fase inicial de receptor igual a 0; y que a su vez estan conectados al modulador (22) del receptor.

6. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE CLAVE CUÁNTICA BASADO EN MODULACIÓN DE FRECUENCIA Y FASE DIFERENCIAL, segun reivindicacion 1, caracterizado por que el modulador electro-optico del emisor y receptor es un modulador de doble banda lateral (22a) ; y el receptor (1º) comprende dos osciladores de radiofrecuencia (23a) de frecuencia igual a la de los osciladores (18a) del emisor respectivamente, y cada uno de dichos osciladores (23a)

del receptor (15) esta conectado a un desfasador (24a) para establecer un desfase inicial de receptor igual a 0, y que estan conectados al modulador (22a) del receptor (15) .