En este artículo discutimos las limitaciones y ventajas de la distribución cuántica de claves y los primeros pasos hacia su inclusión dentro de la infraestructura de seguridad en las redes de comunicaciones convencionales

Lancho Lancho, Daniel

Martinez Mateo, Jesus

Martín Ayuso, Vicente

Archivo Digital UPM

Integrando la criptografía cuántica en redes clásicas

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid


INTEGRANDO LA CRIPTOGRAFÍA CUÁNTICA EN REDES CLÁSICAS 
D. Lancho, J. Martínez y V. Martín 
 Departamento LSIIS-Análisis Numérico. Facultad de Informática. Universidad 
Politécnica de Madrid. Campus de Montegancedo, 28660 Boadilla del Monte, Madrid.  
Vicente.Martin@fi.upm.es 
 
Resumen: Algunos aspectos de la criptografía cuántica son realidades tecnológicas hoy 
en día. Esto es lo que ocurre con la generación y distribución cuántica de claves para 
sistemas criptográficos convencionales de clave simétrica. De momento esta 
distribución se hace tan solo entre dos puntos directamente conectados por el canal de 
transmisión cuántico, lo que limita su utilidad a usuarios dispuestos a correr con los 
gastos derivados de un equipamiento caro y una línea punto a punto que, además, no 
puede ser de longitud ilimitada. Para lograr que esta tecnología acabe siendo de uso 
común hay que integrarla en las redes de comunicaciones clásicas. Esto abarataría su 
uso e incrementaría  su disponibilidad geográfica, aumentando el número de usuarios 
potenciales. En este artículo discutimos las limitaciones y ventajas de la distribución 
cuántica de claves y los primeros pasos hacia su inclusión dentro de la infraestructura de 
seguridad en las redes de comunicaciones convencionales. 
 
1. Introducción 
 
La distribución cuántica de claves es una tecnología que está madurando rápidamente. 
La imposibilidad de hacer copias perfectas de estados cuánticos desconocidos es lo que 
hace posible que esta técnica sea completamente segura. Cualquier intento de un espía 
para leer el canal cuántico dejará una huella que será detectable y que permitirá eliminar 
aquellos bits de clave sospechosos de ser conocidos por el espía. Desde la formalización 
del primer protocolo en 1984 [1] hasta la fecha se ha avanzado mucho: su primera 
implementación en 1986 despertó un gran interés precisamente por demostrar su 
factibilidad, no por las distancias, la velocidad de transmisión o los niveles de seguridad 
alcanzados. Hoy en día se pueden realizar transmisiones seguras en fibra óptica hasta 
distancias cercanas a los 200 Km con dispositivos experimentales, aunque sea a una 
velocidad de tan sólo unos pocos bits por segundo. La tecnología mejora continuamente 
y se están construyendo sistemas especializados en cortas y en largas distancias, 
dependiendo del uso que se les vaya a dar. No obstante, las limitaciones impuestas por 
la relación inversa entre la distancia máxima alcanzada y la velocidad de transmisión, 
que lleva aparejada la existencia de una distancia máxima de transmisión debida a las 
imperfecciones del canal cuántico -indistinguibles de un espía- y el que la generación de 
claves sea punto a punto, imponen restricciones muy fuertes al diseño de la red. 
 
2. La red cuántica como subestructura de la red clásica 
 
La red cuántica no transporta datos, su objetivo es generar y transportar claves. 
Funciona como una estructura independiente de la red clásica y puede ser vista 
como un mecanismo para proveerla de una materia básica, las claves, sobre la 
que construir nuevos mecanismos de seguridad. En este sentido su estructura 
lógica puede ser establecida en tres niveles [2]. En el primero están los 
dispositivos hardware. Estos son conexiones punto a punto entre nodos 
considerados seguros que están continuamente ejecutando un protocolo cuántico 
de QKD1 [3]. Las claves generadas se guardan en almacenes en los extremos de 
la conexión. Estas claves serán utilizadas cuando sean solicitadas por la red 
clásica o dentro de la misma red cuántica para cifrar claves provenientes de otro 
nodo que deban ser reenviadas a un nodo lejano de la red. Si se quiere hacer 
manteniendo seguridad absoluta, hay que utilizar en cada salto entre nodos una 
cantidad de clave igual a la que se está transmitiendo. De esta manera la red 
física de canales cuánticos se convierte en una red lógica, el segundo nivel, que 
asegura que entre dos nodos cualesquiera se puede establecer una clave común, 
incluso aunque no exista una conexión punto a punto entre ellos. El tercer nivel 
lo compone la red clásica normal. Esta podrá acceder directamente a los 
servicios de la red cuántica en tanto coincidan los nodos de las dos redes físicas. 
Si no es así, en algún momento deberán conectarse para rellenar sus almacenes 
de claves. La red cuántica genera y repone sus almacenes de claves de manera 
continua, pero su función no es mantener estos almacenes siempre llenos, sea 
cual sea el nodo, sino disponer de claves suficientes para los servicios que 
requiera la red de datos clásica. Si en la red clásica se va a realizar un gran 
movimiento de datos que necesita ser cifrado con niveles altos de seguridad, 
como en una copia de respaldo remota, se requiere que los dos nodos que van a 
realizarla compartan una gran cantidad de clave. Esto significa que en la red 
cuántica deben construirse mecanismos que permitan el encaminamiento de 
claves bajo petición, pudiéndose incluso requerir la garantía de determinadas 
calidades de servicio. Estos mecanismos se denominan protocolos de red. En la 
actualidad no hay un conjunto completo de estos protocolos en la red cuántica 
análogo al que existe en las redes clásicas, aunque se parte con la ventaja de que 
algunos de los ya existentes son adaptables. 
 
Otro tema problemático es la compatibilidad de la red cuántica con la convencional. La 
compatibilidad software obliga a que el conjunto de protocolos de control y servicios se 
adapten a los protocolos IP (Internet Protocols). Esto no es un perjuicio en si mismo: 
limita la libertad de adaptación, pero hace que cualquier red cuántica pueda ser usada 
desde la convencional. La compatibilidad física es más importante desde el punto de 
vista económico. Si la red cuántica no es capaz de usar las fibras preexistentes ni los 
equipos ser compatibles con los ya instalados en los nodos de comunicaciones, estaría 
destinada a convertirse en una tecnología nicho con casi total seguridad. En la 
actualidad se estudia la posibilidad de multiplexar el canal cuántico junto con canales 
clásicos en la misma fibra. La tecnología WDM2 permite tener varias entradas en la 
misma longitud de onda, que el multiplexor desplaza en frecuencias para introducir 
todas en la misma fibra óptica. Al final de la misma, otro dispositivo WDM hace la 
inversa, tomando las distintas frecuencias de la fibra, pasándolas a la frecuencia base y 
mandando cada una a una salida distinta. Esto hace sobre una sola fibra el mismo efecto 
que si se hubiesen tenido tantas fibras ópticas como pares de entrada/salida. El 
problema aquí es que el canal cuántico es muy frágil, siendo muy sensible frente a 
cualquier tipo de dispersión de los canales viajando a frecuencias próximas. Hasta ahora 
se tienen buenos resultados cuando la separación entre canales es de unos 4nm, pero una 
mayor densidad sería preferible: En el estándar D[ense]WDM hay hasta 160 canales 
viajando por la misma fibra con una separación de 0,8 nm. 
 
                                                 
1 Iniciales inglesas, utilizadas habitualmente, de Distribución Cuántica de Claves: Quantum Key 
Distribution. 
2 Multiplexación por división de longitud de onda: Wavelength Division Multiplexing. 
Estos problemas son menores en el prototipo de red en el que estamos trabajando 
[figura 2]. La idea es construir una red cuántica de área metropolitana cuya topología 
básica sea un anillo. Esto permite simplificar mucho los protocolos de gestión de la red 
cuántica -aún cuando la parte de integración con IP mantenga su complejidad- y reduce 
el número de puntos seguros intermedios necesarios, lo que hace que sea más barata. En 
cada nodo del anillo un dispositivo conocido como ROADM3 extrae dos canales de la 
fibra óptica existente. Uno será usado como canal cuántico y otro como canal para la 
parte clásica de los protocolos cuánticos. La distancia típica entre nodos del anillo (~10 
Km) está bien dentro del rango donde se puede obtener un buen rendimiento con los 
sistemas de distribución de claves disponible [figura 1], incluyendo las pérdidas 
inevitables en los conectores y multiplexores (~3 dB, equivalentes a ~15 Km de fibra 
óptica). En el anillo se están generando y transmitiendo claves de manera continua que 
son repartidas a los usuarios finales a través de conexiones especiales donde se sitúa un 
sistema modificado para que la conexión punto a punto pueda hacerse cambiando uno 
de los extremos bajo demanda. Este funcionamiento en tiempo compartido abarata 
notablemente los costes de servicio. 
 
3. Resultados y conclusiones 
 
Los próximos años serán clave para el despegue de QKD como tecnología de uso 
común. En la actualidad, aunque se sigan haciendo esfuerzos importantes en mejorar las 
técnicas básicas -especialmente en la extensión de las distancias máximas y el aumento 
de la velocidad de generación de clave- se ha pasado del estatus de tecnología 
emergente a ser un candidato serio que podría cambiar radicalmente la manera de usar 
la criptografía en la red. Ya se está trabajando en integrar los servicios añadidos que 
ofrece con las redes tradicionales. Los operadores de red se involucran activamente en 
este tipo de proyectos y los objetivos y técnicas para lograr redes QKD capaces de dar 
servicio a usuarios finales están bien definidos. También se están diseñando prototipos 
de red como el presentado y están construyéndose instalaciones piloto. Si no se logran 
estos objetivos de integración con la presente generación de dispositivos -y los que 
ahora mismo están en su fase final de desarrollo- habría que esperar hitos tecnológicos 
importantes, como la creación de fuentes de fotones individuales y detectores muy 
eficientes, para que QKD volviese a generar interés económico y dejase de una 
tecnología nicho.  
 
 
Figura 1. Longitud de clave final, después de 
realizar la parte clásica del protocolo BB84, frente a  
distancia de transmisión en un sistema de criptografía 
cuántica moderno (id Quantique id3000). La 
amplificación de privacidad se realiza utilizando la 
entropía de BBBSS92 [4], que es especialmente 
restrictiva, en la versión para ataques de 
intercepción/reenvío. Los sistemas de QKD actuales 
usan como fuente de fotones láseres atenuados con 
un número promedio de fotones, μ, por pulso, lo que 
les hace vulnerables a ataques que tomen sólo un 
fotón de aquellos pulsos que contengan más de uno. 
Aquí presentamos resultados para un número fijo 
μ=0.5 y para un valor óptimo definido como el 
                                                 
3 Reconfigurable Optical Add and Drop Multiplexer. 
mayor valor de μ que hace que estos ataques no puedan tener una eficacia del 100%.  
 
 
 
Figura 2. Esquema del anillo de pruebas (arriba). Los nodos del anillo son puntos seguros de una red 
clásica conectados por una fibra óptica. En estos nodos (abajo a la derecha) se extraen dos de los canales 
multiplexados para su uso en las partes cuántica y clásica del protocolo por los pares de emisor/receptor 
cuántico (Alice/Bob) y su ordenador de control. El anillo mantiene una generación constante de claves 
punto a punto y utiliza unos protocolos de encaminamiento de modo que cualesquiera dos de los puntos 
de acceso al anillo (abajo a la izquierda) puedan establecer una clave compartida secreta que les 
permitiría acceder a servicios de seguridad a través de un canal público cualquiera.  
 
 
 
Bibliografía 
 
[1] Bennett, C.H. and Brassard, G. ``Quantum Cryptography: Public Key Distribution 
and Coin Tossing'' IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal 
Processing. Bangalore, 1984. Pags. 175-179. 
[2] Alléaume, R. et al. “SECOQC White Paper on Quantum Key Distribution and 
Cryptography”, arXiv:quant-ph/0701168v1. Ver también www.secoqc.net. 
[3] Gisin, N. et al. Rev. Mod. Phys. 74 (2002) 145,  arXiv:quant-ph/0101098v2. 
[4] BBBSS92. Bennett, C.H. et al. “Experimental quantum cryptography” Journal of 
Cryptography Vol. 5, No. 1, 1192. 
 


http://oa.upm.es/33026/1/INVE_MEM_2007_179730.pdf

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