La Red Cuántica DARPA (2002-2007) fue la primera red de distribución de claves cuánticas (QKD) del mundo , que operaba 10 nodos ópticos en Boston y Cambridge, Massachusetts . [1] Entró en pleno funcionamiento el 23 de octubre de 2003 en los laboratorios de BBN, y en junio de 2004 se puso en funcionamiento a través de fibra oscura bajo las calles de Cambridge y Boston, donde funcionó de forma continua durante más de 3 años. [2] El proyecto también creó y puso en funcionamiento el primer detector de fotón único de nanocables superconductores del mundo . Fue patrocinado por DARPA como parte del programa QuIST , [3] y construido y operado por BBN Technologies en estrecha colaboración con colegas de la Universidad de Harvard y el Centro de Fotónica de la Universidad de Boston .
La red cuántica de DARPA era totalmente compatible con la tecnología estándar de Internet y podía proporcionar material de claves derivado de QKD para crear redes privadas virtuales , para soportar IPsec u otra autenticación, o para cualquier otro propósito. Todos los mecanismos y protocolos de control se implementaron en el núcleo Unix y en matrices de puertas programables en campo . El material de claves derivado de QKD se utilizó rutinariamente para videoconferencias u otras aplicaciones.
La red cuántica de DARPA se construyó en etapas. [4] En el primer año del proyecto (año 1), BBN diseñó y construyó un sistema QKD completo (Alice y Bob), con una fuente láser atenuada (número medio de fotones de ~ 0,1) que funcionaba a través de fibra de telecomunicaciones, modulada en fase a través de un interferómetro Mach-Zender estabilizado activamente . BBN también implementó un conjunto completo de protocolos QKD de resistencia industrial basados en BB84 . En el año 2, BBN creó dos versiones "Mark 2" de este sistema (4 nodos) con detectores InGaAs de calidad comercial creados por IBM Research . Estos 4 nodos funcionaron de forma continua en el laboratorio de BBN desde octubre de 2003, luego se implementaron dos en Harvard y la Universidad de Boston en junio de 2004, cuando la red comenzó a funcionar de forma continua en el área metropolitana de Boston, las 24 horas del día, los 7 días de la semana. En el tercer año, la red se expandió a 8 nodos con la adición de un sistema basado en entrelazamiento (derivado del trabajo en la Universidad de Boston ) diseñado para fibras de telecomunicaciones y un enlace atmosférico (espacio libre) de alta velocidad diseñado y construido por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . En el cuarto año, BBN agregó un segundo enlace de espacio libre a la red general, utilizando nodos creados por Qinetiq , e investigó protocolos y detectores QKD mejorados. Finalmente, en el quinto año, BBN agregó el primer detector de fotón único de nanocables superconductores del mundo a la red operativa. [5] [6] Fue creado por una colaboración entre investigadores de BBN, la Universidad de Rochester y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología; ese primer sistema de 100 MHz funcionó 20 veces más rápido que cualquier detector de fotón único existente en longitudes de onda de telecomunicaciones. [7] [8] En ese último año, BBN también colaboró con investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts para implementar y experimentar con una versión de prueba de concepto del primer espía cuántico del mundo (Eve). [9]
Una vez construida por completo, los 10 nodos de la red eran los siguientes: [10] Todos ejecutaban los protocolos de red cuántica y distribución de claves cuánticas de BBN, por lo que interoperaban para lograr una distribución de claves de cualquiera a cualquiera.
La red cuántica DARPA implementó una variedad de protocolos de distribución de claves cuánticas para explorar sus propiedades. [11] Todos se integraron en una única pila de protocolos con calidad de producción. La autenticación se basó en claves públicas, claves privadas compartidas o una combinación de ambas. (Las claves privadas compartidas se podían actualizar con claves derivadas de QKD). La amplificación de la privacidad se implementó mediante GF[2n] Universal Hash . La estimación de la entropía se basó en la entropía de Rényi y se implementó mediante los protocolos BBBSS 92, Slutsky, Myers/Pearson y Shor/Preskill. La corrección de errores se implementó mediante una variante BBN del protocolo Cascade, o el protocolo BBN Niagara, que proporcionó una operación eficiente de una sola pasada cerca del límite de Shannon mediante la corrección de errores hacia adelante basada en códigos de verificación de paridad de baja densidad (LDPC). El cribado se realizó mediante métodos tradicionales, codificación de longitud de ejecución o el llamado cribado "SARG".
También implementó dos formas principales de protocolos de red QKD. [12] Primero, el relé de clave empleaba nodos "confiables" en la red para retransmitir materiales para la destilación de clave entre los dos puntos finales. Este enfoque permitía a los nodos acordar el material de clave compartida incluso si se implementaban a través de dos tecnologías incompatibles; por ejemplo, un nodo basado en modulación de fase a través de fibra podría intercambiar claves con uno basado en modulación de polarización a través de la atmósfera. De hecho, incluso permitía a los transmisores compartir material de clave con otros transmisores (compatibles o incompatibles). Además, el material de clave sin procesar podía enrutarse por múltiples rutas "seccionadas" a través de la red (por ejemplo, rutas disjuntas) y recombinarse de extremo a extremo, borrando así la ventaja que Eve obtendría al controlar uno de los nodos de la red en el camino. En segundo lugar, los protocolos de enrutamiento óptico compatibles con QKD permitían a los nodos controlar conmutadores ópticos transparentes dentro de la red, de modo que múltiples sistemas QKD pudieran compartir la misma infraestructura de red óptica.