Todas las claves de EuroQCI, el proyecto europeo de computación cuántica

Los países de la Unión Europea firmaron en julio del año pasado su acuerdo para poner en marcha la infraestructura europea de comunicación cuántica, denominada EuroQCI.

“Esta iniciativa pretende integrar las tecnologías y los sistemas cuánticos en las redes de comunicación terrestres de fibra óptica y por satélite, proporcionando una cobertura total de la UE y otros continentes. Pretende convertirse en la base de la internet cuántica europea, conectando ordenadores, simuladores y sensores cuánticos a través de redes cuánticas para compartir información y recursos de forma segura”, se explica desde Orange, integrante del consorcio de empresas e institutos de investigación seleccionados por la Comisión Europea para estudiar el diseño de la EuroQCI.

“Se plantea como el embrión y futuro esqueleto de una nueva generación de red global de comunicaciones en la que se interconectarán ordenadores cuánticos en lugar de ordenadores tradicionales”, indica Ángel Álvaro, Digital Equipment Design Authority de Thales Alenia Space España. “Esto permitirá no sólo el establecimiento de comunicaciones de altísima velocidad, sino también la agregación de manera exponencial de todas las capacidades de computación cuántica que se desarrollen en los distintos institutos, empresas y otras instituciones europeas”, agrega.

QKD y QSAFE

El primer servicio que utilizará la EuroQCI es la distribución de claves cuánticas (QKD, por sus siglas en inglés), que transmitirá las claves de encriptación a través de canales de comunicación cuánticos tanto en enlaces de fibra óptica terrestre como de láseres espaciales.

“Hace ya más de un año que la Comisión Europea decidió apostar por las investigaciones sobre la futura EuroQCI, definiendo un periodo de 15 meses para establecer los detalles del sistema de extremo a extremo y diseñar el segmento terrestre que respaldará el servicio QKD. El estudio ayudará a la Comisión Europea a diseñar una infraestructura avanzada de validación y pruebas de EuroQCI que incluya nuevos estándares. El objetivo es ejecutar un demostrador EuroQCI para 2024 y un servicio operativo inicial para 2027”, explica Orange.

“Existen distintas soluciones para cifrar la información. Esto es, combinar los datos de los mensajes que se van a transportar con un código secreto, una clave, que solo conocen emisor y receptor.  El primer paso será que el emisor le envíe al receptor la clave para que éste último pueda descifrar el mensaje, proceso durante el cual un hacker podría intentar interceptar la clave y quedar ésta comprometida. Gracias a la distribución de claves cuánticas, es como si introdujéramos los datos en pompas de jabón, que serían los fotones que transmiten la información cuántica —qubits— a través de la fibra óptica o por el espacio. La interceptación de un fotón supone la alteración de sus características de forma irreversible, por los principios básicos de la física cuántica. De esta forma, si alguien intenta atrapar estas ‘pompas’ —los fotones—, desaparecen. Esto tiene la ventaja de detectar al hacker, pues no llega el mensaje a su destino. Además, no podrá descubrir nuestra clave”, detalla la compañía.

Otro paso importante ha sido la constitución del consorcio QSAFE, en el que participan grandes empresas europeas como Deutsche Telekom, Telefónica, Thales y Thales Alenia Space, junto a compañías altamente especializadas, instituciones y socios del mundo académico, como el Instituto Austríaco de Tecnología.

Este consorcio se encarga de estudiar el diseño técnico inicial, los análisis de seguridad, el dimensionamiento inicial de la red, sus costes o el modelo operativo, sentando así las bases para la futura implementación de la red.

“La arquitectura que hemos propuesto es similar a la de las redes actuales de comunicaciones, desde la red telefónica a internet, con unas características especiales derivadas de la naturaleza de los intercambios cuánticos, que no permiten los mecanismos de store-and-forward que usan todos los routers y la mayoría de elementos de conmutación. El control y la gestión de la red estará basado en los principios de las redes controladas por software (SDN), con el objetivo de integrarla en la operativa de red aplicada por los proveedores de servicio”, especifica Diego R. López, gerente de Exploración Tecnológica y Estándares de Telefónica.

Seguridad y otras aplicaciones prácticas

Uno de los motivos que ha impulsado esta iniciativa es el desafío que comporta el desarrollo de la computación cuántica para los actuales estándares de encriptación. Una amenaza que no es baladí, ya que estos métodos podrían ser inseguros en apenas una o dos décadas.

“Esta nueva red de comunicaciones permitirá el establecimiento de comunicaciones inviolables por métodos de hackeo, tanto tradicionales como basados en computación cuántica”, reseña Álvaro. “Ayudará a proteger los sistemas de codificación y las infraestructuras críticas europeas, como las instituciones gubernamentales, el control del tráfico aéreo, las instalaciones sanitarias, los bancos y las redes eléctricas, de las amenazas cibernéticas actuales y futuras”, añade Orange.

Pero también se podrá utilizar para otros fines, “como el desarrollo de aplicaciones de predicción, modelado y análisis de sistemas complejos y variables múltiples, como pueden ser sistemas de gestión de redes de energía, modelos meteorológicos, modelados biomédicos o análisis químicos entre otros, con una complejidad precisión y potencia de cálculo varios órdenes de magnitud superior al de los sistemas de supercomputación actuales”, desgrana el representante de Thales Alenia Space España.

En cualquier caso,  el responsable de Telefónica advierte que “las TIC cuánticas, computación y comunicaciones, están en un estado inicial aún”. “La EuroQCI no va a ser, por ahora, una infraestructura masiva, ofreciendo servicios a amplios sectores del mercado”, aclara.

“Los objetivos están más enfocados a mantener el liderazgo europeo en las TIC cuánticas, facilitar el desarrollo de una industria europea alrededor de ella y explorar los casos de uso más inmediatos —la famosa low hanging fruit—, con aplicaciones específicas en campos como la seguridad o la metrología. En el primer caso, hablamos sobre todo de la distribución cuántica de claves (QKD), aplicable para mejorar el secreto de las comunicaciones. En el segundo caso, hay problemas como la sincronización de relojes remotos, que es esencial para el funcionamiento de sistemas como las redes de alta velocidad y de computación distribuida, que se pueden solucionar de manera mucho más eficiente con tecnologías cuánticas”, detalla.

Además, señala que “se están poniendo a punto nuevas aplicaciones de tecnologías derivadas de la comunicación cuántica”. “Un ejemplo paradigmático serían los mecanismos para ejecutar cálculos en infraestructuras cloud manteniendo los datos opacos, de manera que pueda garantizarse la privacidad de personas y el secreto de la información empresarial sensible”, apunta.

Primeros casos de uso

Aunque EuroQCI está dando todavía sus primeros pasos, ya se están explorando algunas aplicaciones tanto de la computación cuántica como de la comunicación cuántica. “Nos encontramos en una fase en la que las tecnologías están siendo adoptadas por unos primeros pioneros, para aplicaciones puntuales como puede ser la securización mediante clave cuántica de determinados enlaces de datos o el empleo de la computación cuántica para la resolución de problemas complejos de modelado en sectores como el bancario o el farmacéutico”, reseña Álvaro.

El responsable de Telefónica indica que “las primeras aplicaciones de TIC cuánticas están ya en uso”. La compañía incluso ha hecho demostraciones en la red MadQCI, un piloto desplegado con la colaboración de RediMadrid y la Universidad Politécnica de Madrid. “Hemos utilizado comunicaciones seguras en casos de uso relacionados con gestión de infraestructuras, salud y computación cloud. Y tenemos planeados una serie de pilotos y demostradores con diferentes clientes de Telefónica interesados en estas tecnologías”.

Orange también está realizando pruebas. “En septiembre del año pasado, la Université Côte d’Azur, en Francia, anunció el despliegue de la primera red de comunicaciones cuánticas, con Orange como principal partner. La colaboración entre Orange y la universidad, en el marco del proyecto Quantum@UCA, permitió alcanzar un hito importante:  establecer un doble enlace de fibra óptica de un total de 50 kilómetros en dos tramos entre sus tres campus, con un nodo en cada uno de ellos. El 5 de julio de 2021, se activó oficialmente dicho enlace, permitiendo generar continuamente cadenas de bits aleatorios idénticos en cada uno de sus extremos, listos para ser transformados en claves secretas”, expone la compañía gala.

¿Y cuándo será una realidad tangible la computación cuántica, más allá de las pruebas de laboratorio y los primeros casos de uso? “Prevemos que su curva de adopción se acelerará de forma rápida en los próximos cinco años, de forma que los usuarios finales tengan acceso a esta tecnología de manera transparente, siendo capaces de acceder a nuevos servicios de computación y a comunicaciones seguras robustas frente a los actuales y futuros ataques por parte de hackers”, vaticina el experto de Thales Alena Space España.

De momento, nuestro continente va por buen camino. “En Europa, hay mucha actividad en lo relativo a lo que esperamos que sea el software cuántico: algoritmos, modelos de programación, etc. En cuanto a comunicaciones cuánticas, hay un número creciente de propuestas de fabricantes de equipos. Algunas, están aún empezando; pero otras, están más maduras y ofreciendo productos a nivel industrial. Si a esto le añadimos el interés de los operadores de red por la prestación de servicios basados en TIC cuánticas, creo que podemos decir que el ecosistema europeo de comunicaciones cuánticas está a la cabeza”, afirma López.

No obstante, desde Orange se advierte “si bien en Europa existe una apuesta firme por el desarrollo de esta tecnología, en cuanto a la infraestructura de comunicaciones que debe soportarla, los operadores europeos tienen aún una cierta desventaja competitiva en términos de ingresos e inversiones respecto a otros mercados, como Asia y Estados Unidos”.

Escollos para su avance

El desarrollo de las tecnologías cuánticas en nuestro continente no va a ser un camino fácil. “Las TIC cuánticas están aún dando sus primeros pasos. Hay resultados muy prometedores, con aplicaciones prácticas, pero requieren, por el momento, equipos costosos y un mantenimiento muy específico. Necesitamos desarrollar modelos —lenguajes de programación, arquitecturas de red, protocolos…— que nos permitan avanzar hacia infraestructuras robustas y fiables, del tipo de las redes móviles”, comenta el experto de Telefónica.

Asimismo, Álvaro señala que “como en toda tecnología emergente, existen gran cantidad de retos a superar que dependen tanto de desarrollos de ciencia básica como de la aplicación de manera eficiente en soluciones comercialmente viables de tecnologías actualmente disponibles a nivel de laboratorio”.

“Entre las primeras, podemos destacar la necesidad de identificar producir e implementar uno o varios métodos de almacenamiento y copia de estados cuánticos, los conocidos como qubits, de manera fiable y comercialmente aplicable. Entre los segundos, distintos institutos y empresas europeos están trabajando en la traslación a una red comercial de comunicaciones cuánticas todas las tecnologías de transmisión de estados cuánticos que se han demostrado en laboratorio. Estas tecnologías están ya accesibles para comunicaciones a corta distancia mediante fibra óptica y estarán disponibles en breve para comunicaciones a media y larga distancia mediante enlaces láser vía satélite”, especifica.

Al hilo de ello, Orange precisa que uno de los mayores retos consiste en aumentar el alcance. “Actualmente, los sistemas QKD comerciales que utilizan fibra óptica no pueden transmitir a más de 60-80 kilómetros, si bien algunos prototipos han llegado ya a unos cientos de kilómetros. Aún sería insuficiente, pues dependiendo de las aplicaciones, habrá que proteger recorridos de varios cientos o incluso miles de kilómetros”.

Además, la compañía reseña que “se debe reforzar la robustez de QKD frente a los ataques de denegación de servicio, en los que el objetivo no es interceptar la clave entre el emisor y el receptor, sino evitar que se pueda transmitir ‘bombardeando’ al receptor con otros mensajes”.

“Una posible solución que se está analizando es elegir otro camino óptico alternativo tan pronto como se detecte el problema. Y también se está trabajando en la estandarización de estas tecnologías, tanto para equipos como para arquitecturas y servicios en la ETSI y la ITU-T —organismos de estandarización europeo e internacional de telecomunicaciones, respectivamente—, mientras se avanza en el proceso de certificación de hardware QKD en la ISO-IEC —a nivel internacional— y en CEN-Cenelec —en Europa—, tan necesario para la sincronización de las futuras evoluciones de QKD”, añade.