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Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la criptografía actual
Verónica Fernández MármolInstituto de Seguridad de la Información (ISI)
http://www.ifa.csic.es/
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Índice• Amenaza del ordenador cuántico a la
criptografía actual• Solución? Criptografía cuántica
• Cómo funciona: • Protocolos
• Sistemas experimentales y comerciales
• Nuestro sistema
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Índice• Amenaza del ordenador cuántico a la
criptografía actual• Solución? Criptografía cuántica
• Cómo funciona: • Protocolos
• Sistemas experimentales y comerciales
• Nuestro sistema
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Criptografía simétricao
clave secreta
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Una sola clave
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Debe mantenerse en secreto
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ejemplo paradigmático
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¿Es seguro DES?
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¿Por qué no?
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Fuerza bruta
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Longitud
128 a 256 bits
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Son muy rápidos
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Discos duros
Base de datos
Audio y vídeo
Comunicaciones de red
Cifran cantidades grandes
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Cifrar
Clave
DescifrarClaro ClaroCifrado
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¿Cómo distribuir la clave?
A B
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Criptografía asimétricao
clave pública
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Diffie y Hellman (1976)
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claves: pública y privada
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Clave pública
la conoce todo el mundo
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Clave privada
sólo la conoce una persona
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Cifrar
Clave
púb
DescifrarClaro ClaroCifrado
Clave
priv
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bits de longitud mínima
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Son muy lentos
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Cifran cantidades pequeñas
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Claves secretas
Cifrar
Clave
púb
Descifrar
Clave
priv
Ks KsEKpub(Ks)
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RSA
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Clave pública
N = p*qe, primo con (p-1)*(q-1)
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Clave privada
d, tal que d*e mod (p-1)(q-1) = 1
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Cifrado
c = me mod N
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Descifrado
m = cd mod N
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Cifradoc = me mod N = 73 mod 33 = 343 mod 33=13
EjemploClave pública N = p*qe, primo con (p-1)*(q-1)
Clave privadad, tal que d*e mod (p-1)(q-1) = 1d*3 mod 20 = 1
p=11, q=3, N=33e=3 (primo con 20),
d=7
Descifradom = cd mod N = 137 mod 33 = 7
(21 mod 20 =1)
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¿Es seguro RSA?
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¿En qué se basa su fortaleza?
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Problema de la factorización
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¿Factores de 15?
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3 x 5
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¿Factores de 391?
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17 x 23
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Último reto RSA640 bits en 5 meses en 80 PCs
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¿Cuánto se tarda en hacer operaciones
matemáticas?
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Sumar dos números de N bits
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Tiempo lineal: O(N)
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Multiplicar dos números de N bits
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Tiempo cuadrático: O(N2)
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Factorizar un número de N bits
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Tiempo exponencial: O(eN)
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No se ha probado que RSA sea seguro
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Problema difícil, pero ¿imposible?
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Ordenadores cuánticos
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¿Podrán resolver en tiempo polinómico
problemas intratables?
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¿Cómo funcionan los ordenadores?
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Puertas lógicas
NOT
AND
ORXOR
NAND
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entrada salida
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Suma de dos bits
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+ 0 10 00 011 01 10
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Suma = x XOR y
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Acarreo = x AND y
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xy
suma
acarreo
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¿Pueden usarse estados cuánticos?
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Bit 0:
Bit 1:
0
1
Bit 0:
Bit 1:
0
1Qubits
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Pueden existir como una superposición de estados
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Superposición
0 1
Gato de Schrödinger
hυ 1
0hυ
hυ
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10 ba
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122 ba
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Esfera de Bloch
x
y
z|0>
|1>
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Ninguna medida revela el estado original de un
qubit desconocido
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No pueden obtenerse a y b
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Entradas: )10(2
1
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Superposición de estados
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Computación clásica
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)(xfy
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Computación cuántica
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)1()0(10 fbfabaf
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La función f se evalúa para ambos valores a
la vez
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0+00+11+01+1
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Salida: superposición de todas las posibles
respuestas
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La medida obtendrá un resultado aleatorio
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¿Cómo obtener resultados útiles?
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Las puertas lógicas anteriores no sirven
con estados cuánticos
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AND, OR, XOR son irreversibles
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Pérdida de información
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En mecánica cuántica no es posible perder información sin medir
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Puertas cuánticas reversibles
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Mismo nº de entradas y salidas
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NOT
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CNOT
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Control 1 Cambia el blanco
Control 0 No cambia el blanco
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Cualquier función se puede realizar a partir de puertas CNOT y puertas
de qubits individuales
92
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1011111001010000
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Control: )10(2
1
Blanco: 0
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Entrada
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)1000(2
10)10(2
1
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Superposición de: 00
21
102
1
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112
1002
1
)1000(2
1
CNOT
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)1100(2
1
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Entrelazado cuántico
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No pueden expresarse como producto de dos estados individuales
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Medir el estado de una partícula determina el
estado de la otra
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)1100(2
1
![Page 104: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/104.jpg)
Puerta Hadamard
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)10(2
11
)10(2
10
H
H
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Control: )10(2
1
Blanco: )10(2
1
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)10(2
1)10(2
1
![Page 108: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/108.jpg)
CNOT
)11100100(21
)10110100(21
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)10(2
1)10(2
1
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No hay entrelazado
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Resultado definido de la medida
![Page 112: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/112.jpg)
estado en superposición
estado definido
CNOT
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Importantes aplicaciones
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Juego mentalCNOT rota
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Control desconectado
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1111101001010000
![Page 117: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/117.jpg)
Control loco
![Page 118: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/118.jpg)
1011111000010100
![Page 119: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/119.jpg)
Una sola medida por puerta
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¿Cómo encontrar la CNOT buena?
![Page 121: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/121.jpg)
Las combinaciones clásicas no funcionan
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CNOT desconectada
)11100100(21
)11100100(21
![Page 123: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/123.jpg)
)10(2
1)10(2
1
![Page 124: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/124.jpg)
CNOT loca
)11100100(21
)10110001(21
![Page 125: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/125.jpg)
)10(2
1)10(2
1
![Page 126: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/126.jpg)
CNOT
)11100100(21
)10110100(21
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)10(2
1)10(2
1
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)10(2
1)10(2
1
)10(2
1)10(2
1
)10(2
1)10(2
1 )10(
21)10(
21
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Resultado definido ycomputación en paralelo
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ordenador clásico1011 0101
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ordenador cuántico
0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111
0100111100100011000101010110110110000111101010111100100100001110
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Problemabúsqueda en la guía
telefónica
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N/2 búsquedas en promedio
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¿Puede ayudar la mecánica cuántica?
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Algoritmo de Grover
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0 X1 R2 P3 A
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contrario casoen ,0)(Pa ecorrespondsi,1)(
xfxxf
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1)2( f
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Superposición de todas las x posibles
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11,10,01,00
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)10(2
1)10(2
1
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112110
2101
2100
21
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1/2 1/2 1/2 1/2|00> |01> |10> |11>
1/2 1/2
‐1/2
1/21/4
1
Inversión sobre la media l*=m-(l-m)=2m-l
Ordenador cuántico
si f(x)=1, invierte la fase
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probabilidad de encontrar la respuesta
correcta
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4 qubits
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…|0010>…
1/4
1/4
‐1/4
7/32
3/16
11/16
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probabilidad de encontrar la respuesta
correcta
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3/16
11/16
3/16
‐11/16
17/128
5/64
61/64
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probabilidad de encontrar la respuesta
correcta
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¿Cuántas iteraciones para 100%?
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4N
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Guía telefónica con 1 millón de nombres
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días con algoritmos clásicos
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minutos con algoritmo de Grover
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Impacto en criptografía
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Búsqueda exhaustiva de claves
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Amenaza a la criptografía simétrica
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¿Qué pasa con la asimétrica?
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Problema de la factorización
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Tiempo exponencial
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¿Puede acelerarse cuánticamente?
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Algoritmo de Shor
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Transformada de Fourier
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1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4, …
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periodo = 4
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71=7, 72=49, 73=343, 74=2401, 75=16807, 76=117649, 77=823453, …
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mod 15
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7, 4, 13, 1, 7, 4, 13, …
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Exponenciación modular
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ax mod N
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Si la periodicidad es par se pueden calcular
los factores de N
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m.c.d (aq/2 + 1, N)
m.c.d (aq/2 – 1, N)
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Ejemploa=7, N=15, q=4,
¿factores?
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m.c.d (74/2 - 1=40, 15)=315 = 3 x 5
m.c.d (aq/2 + 1, N)m.c.d (74/2 + 1=50, 15)=5
m.c.d (aq/2 -1, N)
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Los circuitos lógicos cuánticos son rápidos
buscando periodicidades
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QFT
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Paso 1Registro de 2c > N estados
superpuestos
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|00…000> + |00…001> + |00…010> +…+ |11…110> + |11…111>
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Paso 2Registro de c qubits a |0>
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000000
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Paso 3Elegir un número a < N al azar y
primo con N
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ax mod N
|0>|0>+|1>|0>+|2>|0>+|3>|0>+|4>|0>+|5>|0>+|6>|0>+…1er registro2º registro
N=15a=7
|0>|1>+|1>|7>+|2>|4>+|3>|13>+|4>|1>+|5>|7>+|6>|4>+…
Medida en 2º registro
|1>|7>+|5>|7>+|9>|7>+|13>|7>+…
Transformada Fourier
período = 4
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Tiempo polinómico
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¿El fin de la criptografía clásica?
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Cifrado de Vernam
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Secreto perfecto
1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 00 0 1 0 1 1 0 0 0 1 01 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0
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kme
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Matemáticamente 100% seguro …
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… si se utiliza una sola vez
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21
21
21
21
)()()()(
mmkkmmkmkm
ee
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… y si la clave es 100% aleatoria
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¿Cómo generar claves aleatorias?
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Transmisión cuántica de claves
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Índice• Amenaza del ordenador cuántico a la
criptografía actual• Solución? Criptografía cuántica
• Cómo funciona: • Protocolos
• Sistemas experimentales y comerciales
• Nuestro sistema
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El único método de transmitir claves
criptográficas en el que la presencia de un intruso es
detectada
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Basada en las leyes de la Física Cuántica
Principio de Incertidumbre de Heisenberg
Heisenberg
2x p
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Alice quiere mandar una secuencia aleatoria a Bob
1101000110010110Secuencia aleatoria
Alice utiliza aleatoriamente las bases:
Rectilínea Circular
Bases
ALICE
Protocolo BB84
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1101000110010110Secuencia aleatoriaBases
Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de polarización para codificar sus estados
0 1 0 1
Polarización
Protocolo BB84
ALICE
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1101000110010110Secuencia aleatoriaBases
Polarización
Alice manda su secuencia de fotones aleatoriamente codificados a
BobBOB
Protocolo BB84
ALICE
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1101000110010110Secuencia aleatoriaBases
Polarización
BOB
No todos los fotones que manda Alice son recibidos por Bob. Algunos se pierden como consecuencia de la
absorción del canal cuántico
Protocolo BB84
ALICE
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1101000110010110Secuencia aleatoriaBases
Polarización
BOB
Bob utiliza la base circular o rectilinea de forma aleatoria para medir los fotones recibidosRectilínea Circular
Protocolo BB84
ALICE
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O divisor por polarización (PBS)
Prisma de Wollaston
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0 1 PBSPBS
Detector 0
Detecta ‘0’ con 100% de probabilidad
Protocolo BB84
Detector 1
Detecta ‘1’ con 100% probabilidad
Detector 0
Base rectilínea Base rectilínea
Detector 1
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0 1PBS
Protocolo BB84
‘0’ o ‘1’ con 50% probabilidad
PBS
Detector 0
Detector 1
Detector 0
Detector 1
Base rectilínea Base rectilínea
Incertidumbre2
x p
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0 1 PBSPBS/4 /4
Protocolo BB84
‘0’ con 100% probabilidad ‘1’ with 100% probabilidad
Detector 0
Detector 1
Detector 0
Detector 1
Base circular Base circular
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0 1PBSPBS/4 /4
Protocolo BB84
Detector 0
Detector 1
Detector 0
Detector 1
‘0’ o ‘1’ con 50% probabilidad
Base circular Base circular
Incertidumbre2
x p
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• 4 tipos de medidas:+
• 2 deterministas:+
+• 2 ambiguas:
+
Protocolo BB84
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1101000110010110Secuencia aleatoria
Bases
Polarización
BOB
Por cada fotón recibido Bob mide aleatoriamente con la base rectilínea o circularRectilínea Circular
Protocolo BB84
ALICE
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1101000110010110Secuencia aleatoria
Bases
Polarización
BOB
Bases
Protocolo BB84
ALICE
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1101000110010110Secuencia aleatoria
Bases
BOB
Polarizción
Bases
000011101100
Protocolo BB84
ALICE
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1101000110010110Secuencia aleatoria
Bases
BOB
Bases
000011101100
Protocolo BB84
ALICE
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1101000110010110Secuencia aleatoria
Bases
BOB
Bases
000011101100
Alice y Bob comparan las bases a través de un canal público
Protocolo BB84
ALICE
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00011010
00011001
01
1110
1
01
0
10Secuencia aleatoria
BOB
Bases
Alice y Bob desechan los bits que en los que no han utilizado la misma base
Protocolo BB84
ALICE Bases
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00011010
00011
0010Secuencia aleatoria
BOB
Bases
Protocolo BB84
ALICE Bases
Y en los que Bob no midió ningún fotón
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00011010
00011010
BOB
Bases
Secuencia aleatoria
Bases
Protocolo BB84
ALICE
![Page 218: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/218.jpg)
00011010
00011 010
BOB
0 1 0 1 1 0 0 0Alice y Bob nunca revelan el valor del bit en su
discusión
Protocolo BB84
ALICE
Dejando una secuencia común final
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• Dos partes: Alice (emisor) & Bob (receptor)• Dos canales de comunicación: cuántico y clásico • Canal cuántico utiliza fotones individuales• Canal clásico discusión post procesamiento• Utiliza bases no ortogonales• Imposible distinción determinista Principio de Incertidumbre de
Heisenberg
Descarta los siguientes bits
Canal cuántico
Canal clásico público
Resumen QKD
Fotones individuales
Discusión post procesamiento
Bob(Receptor)
Alice(Emisor)
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Las copias no están permitidas en el mundo
cuántico
hυ
hυ
hυ
![Page 221: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/221.jpg)
Canal cuántico
Canal clásico cuántico
¿Qué pasa si espían el canal?
Alice(Emisor)
Bob(Receiver)
¿Pueden Alice y Bob detectar la presencia de un intruso en el canal cuántico?
SíUn intruso introducirá un error detectable
por Alice y Bob
Eve
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Un espía introducirá un error del 25%
Ataque interceptado y reenvío
Alice(Emisor)
Bob(Receptor)
Eve
El ataque más simple
Un intruso tiene solo el 50% de detectar correctamente cada fotón
50%Probabilidad 50%
Probabilidad
Bob sólo tiene un 50 por ciento de detectar correctamente cada fotón
![Page 223: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/223.jpg)
Error que introduce un intruso
Alice Eve Bob Medidas que se quedan
Error que introduce Eve
(½+½)/4 = 25%
0
1/2
1/2
0
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• Dos partes: Alice (emisor) & Bob (receptor)• Dos canales de comunicación: cuántico y clásico • Canal cuántico utiliza fotones individuales• Canal clásico discusión post procesamiento• Utiliza bases no ortogonales• Imposible distinción determinista Principio de Incertidumbre de
Heisenberg• Detección de un espía!
Discard the following bits
Canal cuántico
Canal clásico público
Resumen QKD
Fotones individuales
Discusión post procesamiento
Bob(Receptor)
Alice(Emisor)
![Page 225: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/225.jpg)
• Dos estados no ortogonales(Bennett 1992)
• Codificados en polarización o fase
• Polarización a 0 representa el estado a “0”; polarización a 45
representa “1”
‘1’‘0’ 45°
0°
90°
180°
270°
Polarización
Protocolo B92
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Protocolo de Ekert (BBM92)
Entrelazado cuántico
BobAlice
A BArthur Ekert
![Page 227: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/227.jpg)
• Generación de pares de fotones entrelazados
Protocolo de Ekert
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• Idealmente fuente de fotones individuales• Tecnología todavía por madurar
• Baja eficiencia• Temperaturas criogénicas
• Weak coherent pulses (WCP) (pulsos de láser atenuados)
Emisión de fotones individuales
en
nPn
!),(
Stadística de Poisson
<0.5% pulsos con más de un fotón
90% pulsos vacíos
Micropilar de 2m de diametro
µ~0.1
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Emisión de fotones individuales
• Capaces de operar a alta frecuencia (GHz)
• Facilidad de integración y bajo coste
• Bajas intensidades umbral• Baja spectral linewidth
VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)
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230
Detección de fotones individuales
ip+ n+p
Absorción Ganancia
Zona absorción
Zona multiplicación
hυ
Fotodiodo de avalancha o APD
La zona de multiplicación se introduce para obtener ganancia
APD tipo
‘reach-through’
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231
Detección de fotones individuales
Ec
Ev
hυ
p nE p nEc
Ev
Ionización por impacto
Un electrón con suficiente energía cinética es capaz de originar una avalancha autosuficiente
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Detección de fotones individuales
1.E-04
1.E-121.E-111.E-101.E-091.E-081.E-071.E-061.E-05
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Inverse Voltage (V)
curr
ent (
A)
Dark current
Photocurrent
avalanche breakdown voltage
El voltaje necesario para que ocurra la avalancha como resultado de un único fotón se denomina voltaje de ruptura de avalancha
SPAD (single photon avalanche diode)
Fujitsu APD
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Detectores de fotones individuales
superconductores
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Canal de transmisiónFibra óptica
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Atenuación en fibra óptica
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
800 1000 1200 1400 1600 1800W avelength (nm )
Attenuation(dB/km)
λ~850nm λ~1300nm λ~1550nm
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Consecuencia de No cloning
hυ
hυ
hυ
No se pueden utilizar amplificadores ópticos
Trabajar a altas frecuencias reloj
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237
Detectores disponibles
• Alta eficiencia• Bajas cuentas oscuras• ‘Afterpulsing’
despreciable
Altas frecuencias reloj
Si SPADs (λ~850nm)
SPAD comercial de Si de Perkin Elmer
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Detectores disponibles
• Buena eficiencia
• Altas cuentas oscuras
• ‘Afterpulsing’ dominante
Ge and InGaAs SPADs (λ~1300nm λ~1550nm)
Bajas frecuencias reloj
n+-InP Substrate
n-InP Buffer Layer
n--InGaAs Absorption Layer
n--InGaAsP Graded Region
n-InP Charge Sheet
i-InP Multiplication Layer
Floating Guard Ring
Floating Guard Ring p+ - Zinc Diffusion
SiNx
Au
=1.55µm
SPAD (InGaAs/InP)
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INCORRECT
INCORRECT CORRECT
NQBERN N
• Factores que afectan el QBER: Cuentas oscuras en los detectores de fotones individuales Timing jitter de la fuente láser y detectores Contribuciones de luz no deseadas Distancia de transmisión Un intruso!
Quantum Bit Error Rate
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Índice• Amenaza del ordenador cuántico a la
criptografía actual• Solución? Criptografía cuántica
• Cómo funciona: • Protocolos
• Sistemas experimentales y comerciales
• Nuestro sistema
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241
Sistemas con cifrado en polarización
A. Muller et. al, “Quantum cryptography over 23km in installed under-lake telecom fibre”, Europhysics Letters, 33, Page 335-339 (1996) (λ~1300 nm)
• 1996, transmisión a 23km
• λ~1300nm
• 1 MHz clock
• Ge detectors
• 3.4% error
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Sistemas con cifrado en fase
‘0’: 0, π/2‘1’: π, 3π/2
0, π/2Alice Bob
ΦA-ΦB = πI0=0,I1= I
Bob recibe un ‘1’
I0=I, I1=0 Bob recibe un ‘0’
ΦA-ΦB = 0
ΦA-ΦB = π/2I0=I/2,I1=I/2 Bob recibe?ØA/B
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243
• Sistemas de doble interferómetro más estables
Sistemas con cifrado en fase
LDAPDs
Coupler Short (S1) Short (S2)
Long (L1) Long (L2)ALICE BOBTransmission
channel
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Sistemas con cifrado en fase
• Detectores superconductores de fotones individuales (SSPD)
• Clock frequency 10 GHz
• 12bits/s over 200 km fibre
H. Takesue, S. W. Nam, Q. Zhang, R.H. Hadfield, T. Honjo, K. Tamaki and Y. Yamamoto, “Quantum key distribution over a 40-dB channel loss using superconducting single-photon detectors”, Nature Photonics 1, 343, (2007).
• 2007, record mundial en fibra óptica
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Tanto los sistemas con cifrado en polarización como en fase requieren
compensación activa
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246
Sistemas plug and play
PMA
PMB
Long arm
Short arm
Phase modulators
LD
ALICE BOBQuantumchannel
Faraday mirror Laser
diode
D1 APD’sP1
P2
P1 P2
StorageLine
coupler
attenuator PBS
PC
PC
A. Muller et al. “‘Plug and Play’ systems for quantum cryptography”, Applied Physics Letters, 70, Page 793-795 (1997)
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• 2002, distancia 67 km
247
Sistemas plug and play
• Primer producto comercial
•λ~ 1550 nm
D. Stucki et al, “Quantum key distribution over 67 km with a plug and play system”, New Journal of Physics, 4, Page 41.1 - 41.8 (2002)
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Canal de transmisiónAire
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249
Espacio libre como canal transmisión
Atmósfera no birefrigente y no dispersiva
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250
Espacio libre como canal transmisión
Comunicación global segura a través de satélite
Alice Bob
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Atenuación en aire
λ~850nm
λ~1550nm
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252
Free space QKD systems
• 2007, transmision de claves cuánticas a 144 km
T. Schmitt-Manderbach et al. “Experimental demonstration of free-space decoy-state quantum key distribution over 144 km”, Physical Review Letters, vol. 98, 010504, 2007
• λ~850 nm • AutomaticTracking
• GPS synchronization Clock 10MHz
• key rate ~12.8 bits-1
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Free space QKD systems
Receiver (ESA OGS) (Tenerife)
Transmitter (Nordic Optical Telescope)
(La Palma)
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• MagiQ (USA)• Idquantique (Suiza)• NEC (Japón)
Sistemas que utilizan fibra óptica y ~ 1550nm. Hasta 100km de transmisión segura Pero baja velocidad
IdQuantique 1 kbits-1
MagicQ 256 bits-1
Se utiliza con cifrado AES Gigabit Ethernet, SONET/SDH (hasta 10Gbps) y ATM (622Mbps).
¿Sistemas comerciales?
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¿Es segura la criptografía cuántica en la vida real?
Sí, pero…Side-channel attacks
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Quantum hacking
Primer quantum hacker
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Caracterización minuciosa de posibles loopholes de
un sistema
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Device-independent quantum cryptography
Antonio Acín, ICFO, Barcelona
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Índice• Amenaza del ordenador cuántico a la
criptografía actual• Solución? Criptografía cuántica
• Cómo funciona: • Protocolos
• Sistemas experimentales y comerciales
• Nuestro sistema
![Page 260: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/260.jpg)
Free space QKD systems
• QKD en espacio libre
• Orientada a largas distancias (satélite)
• Baja transmisión
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Sistemas de espacio libre en ciudad
Escenarios urbanos menos explorados
• Ventajas Mayor flexibilidad de instalación
(Portabilidad) Menor coste (licencias) Ideal para comunicación segura
entre edificios gubernamentales, financieros o militares en ciudad
Más difíciles de espiar
• Inconvenientesx Aerosol urbano: mas absorcion y
turbulencias
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Emisor: Alice
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Sistema gimbal para Alice
Base Motor
Lateral Motor
Precisión de radians
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o Sincronización óptica a diferente longitud de onda (1550 nm)
o Láser de sincronización: VCSEL monomodo a 1550nm diseñado para
aplicacionesde comunicaciones a alta velocidad.
Alto BW bajo timing jitter bajo QBER
o Detector sincronizado: InGaAs APD
Low‐light‐level detection, large active area (0.2mm)
and high‐speed response (0.9 GHz)
SincronizaciónTsync
SPAD1
SPAD0
APD Clk-in
TIA
Canal 1
Canal 0
VCSEL1
Laser 1550nm
PPGtrigger
output
output VCSEL0
. . .
. . .
. . .
Tsync
λ~ 850nm
Generador de patrón de pulsos
Analizador de tiempos
VCSEL sync
λ~1550nm
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λ~850nm
Receptor: Bob
Lente
Filter850nm
Dicroic filter
Plate BS
xyz
SPDTelescopio
SPD
APD
Optical fibre
Optical fibre
xyz
Polarizers
λ~1550nm
0 1
ch1
ch0
λ/4 λ/4
λ/2
APD: avalanche photodiodeSPD: single photon detector
10MHz clock
Canal ´1´s
Canal ´0´s
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Bob
![Page 267: Cómo los ordenadores cuánticos aniquilarían la ... · clave secreta. Una sola clave. Debe mantenerse en ... Alice utiliza uno de los cuatro posibles estados de ... pierden como](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022070610/5ae60d287f8b9a29048d076f/html5/thumbnails/267.jpg)
Desde Alice
Tests a 40 m (QBERs 2%-6% diurnos, 1.5% nocturnos)1.1 Mbit/s a 1 GHz de frecuencia reloj con un QBER de 2%.
1.5 Mbits a 1.5 GHz con un QBER de 3%.
Bob
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Desde Bob
Alice
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Conclusiones• Ordenador cuántico grave amenaza
para la criptografía actual• Solución criptografía cuántica• Análisis de seguridad de los
sistemas reales• Mejorar velocidad sistemas reales
para hacerlos más competitivos