La DARPA Quantum Network (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 envió a través de fibra oscura bajo las calles de Cambridge y Boston, donde funcionó continuamente durante más de 3 años. [2] El proyecto también creó y puso en funcionamiento el primer detector de fotón único con 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 DARPA Quantum era totalmente compatible con la tecnología estándar de Internet y podía proporcionar material clave derivado de QKD para crear redes privadas virtuales , para admitir IPsec u otra autenticación, o para cualquier otro propósito. Todos los mecanismos y protocolos de control se implementaron en el kernel Unix y en matrices de puertas programables en campo . El material clave derivado de QKD se utilizaba habitualmente para videoconferencias u otras aplicaciones.
La Red Cuántica DARPA se construyó por 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 (~ 0,1 número medio de fotones) que pasa a través de fibra de telecomunicaciones, modulada en fase a través de un Interferómetro Mach-Zender estabilizado . BBN también implementó un conjunto completo de protocolos QKD de potencia industrial basados en BB84 . En el año 2, BBN creó dos versiones 'Mark 2' de este sistema (4 nodos) con detectores de InGaAs de calidad comercial creados por IBM Research . Estos 4 nodos funcionaron continuamente 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 continuamente en el área metropolitana de Boston, 24 horas al día, 7 días a la semana. En el año 3, 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 año 4, 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 año 5, BBN añadió a la red operativa el primer detector de fotón único de nanocables superconductores del mundo . [5] [6] Fue creado gracias a 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 de Tecnología de Massachusetts para implementar y experimentar con una versión de prueba de concepto del primer espía cuántico del mundo (Eve). [9]
Cuando estaba completamente construida, los 10 nodos de la red eran los siguientes. [10] Todos ejecutaron los protocolos de red cuántica y de distribución de claves cuánticas de BBN para que interoperaran para lograr una distribución de claves de cualquiera a cualquier.
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 de calidad de producción. La autenticación se basó en claves públicas, claves privadas compartidas o una combinación de ambas. (Las claves privadas compartidas podrían actualizarse mediante claves derivadas de QKD). La amplificación de la privacidad se implementó a través de GF[2n] Universal Hash . La estimación de 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 corrección de errores directa basada en códigos de verificación de paridad de baja densidad (LDPC). El tamizado se realizó mediante métodos tradicionales, codificación de longitud de tirada o el llamado tamizado "SARG".
También implementó dos formas principales de protocolos de red QKD. [12] Primero, la retransmisión de claves empleó nodos "confiables" en la red para transmitir materiales para la destilación de claves entre los dos puntos finales. Este enfoque permitió a los nodos acordar material clave compartido incluso si se implementaron mediante 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 clave con otros transmisores (compatibles o incompatibles). Además, el material clave en bruto podría enrutarse por múltiples caminos "seccionados" a través de la red (por ejemplo, caminos separados) y recombinarse de un extremo a otro, borrando así la ventaja que Eve obtendría al controlar uno de los nodos de la red a lo largo del camino. En segundo lugar, los protocolos de enrutamiento óptico compatibles con QKD permitieron 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.