La seguridad dará un salto con la criptografía cuántica

Por Verenise Sánchez

Ciudad de México. 9 de enero de 2018 (Agencia Informativa Conacyt).- Un grupo multidisciplinario de científicos de diversos países, entre ellos de México, trabaja en la Universidad de Witwatersrand, en Sudáfrica, en el desarrollo de cifrado cuántico para que la seguridad en las telecomunicaciones y la industria bancaria, entre otras, esté garantizada.

Hace un año, dio la vuelta al mundo la noticia de que un “ejército” de hackers intentó robar mil millones de dólares de la Reserva Federal de Nueva York y aunque no lograron llevarse esa cantidad por un error ortográfico, sí extrajeron 81 millones de dólares.

Si bien este fue un robo a gran escala, cada día se registran miles de hurtos de este tipo. Tan solo en México de enero a junio de 2017 se registraron un millón 455 mil 55 casos, de acuerdo con información de la Comisión Nacional para la Protección y Defensa de los Usuarios de Servicios Financieros (Condusef).

Ante este panorama y desde hace algunos años, Carmelo Rosales Guzmán, investigador posdoctoral del grupo de luz estructurada de la Universidad de Witwatersrand, trabaja en el desarrollo de cifrados o criptografía que no pueda ser "hackeada" y para ello “echa mano” de los principios cuánticos.

Un salto cuántico

En entrevista con la Agencia Informativa Conacyt, el científico mexicano explicó que “la forma tradicional en que se codifica la información es a través de algoritmos matemáticos, que son poco seguros. Es aquí donde entran las tecnologías basadas en conceptos cuánticos ya que la seguridad que ofrecen no es de carácter tecnológico sino fundamental. Es decir, no importa cuánto avance la tecnología, la seguridad basada en entrelazamiento de fotones siempre estará por encima”.

Los sistemas de codificación que actualmente se utilizan están basados en algoritmos matemáticos, en los que primero se genera una clave para luego encriptar la información que se enviará.

La diferencia entre los algoritmos matemáticos y los cuánticos radica en cómo se genera la clave. “En los matemáticos, las claves son generadas por medio de la multiplicación de dos números primos, de tal manera que entre más grandes sean, más segura será la clave. No obstante, para descifrar el mensaje, un intruso simplemente tiene que revertir el proceso de multiplicación, lo que se puede hacer fácilmente al encontrar los dos números”.

En sus orígenes, se creía que la criptografía basada en algoritmos matemáticos era altamente segura; sin embargo, con la llegada del Internet que permitió conectar varios ordenadores en línea, se pudo comprobar que este método de encriptación es en realidad vulnerable.

“En tanto, el entrelazamiento cuántico proporciona una forma alternativa para generar una clave de cifrado, la cual solo puede ser del conocimiento del transmisor y del receptor”.

El proceso de generación de la clave cuántica (quantum key distribution) se realiza utilizando dos canales: uno cuántico, en el que se envían fotones individuales y, por lo tanto, es más seguro; y el otro clásico, que es por el que se envía el resto de la información.

Para generar la clave cuántica, el emisor envía una secuencia de fotones individuales al receptor, cada uno preparado de forma especial utilizando alguna de las propiedades de la luz, por ejemplo, la polarización.

Es importante recordar que la polarización define la orientación en que oscila el campo eléctrico de la luz, que puede ser, por ejemplo, horizontal (00), vertical (900), diagonal (450) o antidiagonal (-450).

El sistema para preparar los fotones consta, en este ejemplo, de dos bases, cada una formada por dos polarizaciones perpendiculares. De esta forma, una base (B1) estaría formada por las polarizaciones horizontal y vertical, y la otra (B2), por las polarizaciones diagonal y antidiagonal.

De esta manera, el emisor prepara, de forma aleatoria, cada fotón en alguna de estas dos bases y lo envía al receptor, quien a su vez lo mide, también en forma aleatoria, usando alguna de estas bases.

Además ambos, bajo previo acuerdo, deciden asignar un valor “por ejemplo, el número 1” a la polarización horizontal y diagonal, y el valor “0” a la vertical y antidiagonal. Al término de la transmisión cuántica, ambos comparan, por un canal clásico, las bases que utilizaron para cada fotón pero nunca los estado de polarización que fueron enviados o medidos.

Aquellos casos en los que ambos usaron las mismas bases son los que se utilizarán para determinar la clave de encriptación. Así, “aun cuando cualquiera puede saber qué bases fueron utilizadas para cada fotón, solo emisor y receptor saben qué estado fue enviado utilizando esa base”.

“Las propiedades de la mecánica cuántica juegan un papel fundamental cuando algún intruso intenta interferir el canal cuántico para medir qué fotón envió el emisor, ya que esta medición hará que el fotón cambie su estado e introduzca errores en el proceso de comparación de bases. Estos errores alertan al emisor y receptor de que el canal cuántico no es seguro, para que la clave se descarte y el proceso inicie nuevamente”.

Entrelazamiento cuántico

Los métodos de codificación cuánticos están basados en el entrelazamiento de dos fotones, el cual es uno de los pilares de la mecánica cuántica. Este principio se aleja de toda intuición y afirma que dos o más fotones, emitidos al mismo tiempo y por la misma fuente, pueden encontrarse conectados en una superposición de estados en la que comparten las mismas propiedades.

Este fenómeno podría explicarse como cuando se lanza una moneda al aire. Mientras está en el aire girará cambiando todo el tiempo entre cara y cruz, generando la ilusión de que se encuentra en ambos lados al mismo tiempo, es decir, una superposición de estados.

Está claro que cuando interrumpimos la caída de la moneda para medir su estado, la moneda mostrará solo una de las dos opciones. En otras palabras, el acto de medir hace que la moneda, que originalmente estaba en una superposición de estados, colapse a uno solo de ellos.

Para explicar el entrelazamiento cuántico, utilizaremos dos monedas “entrelazadas”. Al lanzar simultáneamente ambas monedas al aire, cada una se encontrará en una superposición de estados. Hasta aquí todo es “normal”; sin embargo, algo sorprendente ocurre cuando medimos (observamos) el estado o caras de las monedas. Con tan solo medir una de ellas, el estado de la otra se verá afectado inmediatamente. Por ejemplo, si observamos que una de ellas es cruz, la otra cambiará inmediatamente a cara y viceversa, esto es un fenómeno que ocurre solo en el mundo cuántico.

Es importante destacar que este ejemplo se puede realizar con sistemas más complejos, por ejemplo con dados, de manera que mientras el dado está en el aire, este se encuentra en una superposición de seis estados, cada uno asociado a una de las caras marcadas con números.

Algo semejante ocurre si se mandan dos fotones entrelazados a través del espacio libre o fibra óptica y uno de ellos es interceptado, el otro fotón se verá afectado de forma inmediata. “Este fenómeno cuántico es la base de la seguridad de los sistemas de comunicación cuánticos, ya que proporciona una forma altamente segura para alertar de la presencia de intrusos”.

El uso de fotones entrelazados garantiza que este acto de medición produzca un efecto inmediato que alerte al receptor de la presencia de un intruso y la necesidad de cortar toda comunicación por el canal que ha sido intervenido.

Telecomunicaciones seguras utilizando varias dimensiones

Como parte de su proyecto de investigación “Telecomunicaciones cuánticas seguras con sistemas multidimensionales entrelazados”, Rosales Guzmán explora nuevas propiedades de los fotones, tales como su momento angular orbital (relacionada con su forma espacial) y su polarización, para incrementar la velocidad y seguridad de los sistemas de comunicación ópticos.

El momento angular orbital de la luz se descubrió a principios de 1990. Este hallazgo abrió nuevas líneas de investigación, al mismo tiempo que proporcionó una nueva forma de generar fotones entrelazados en dimensiones mayores.

El entrelazamiento cuántico en momento angular orbital se empezó a estudiar a principios del siglo XXI, pero no fue sino hasta diez años después que se reconoció su potencial para aumentar la seguridad de los sistemas de comunicación.

A diferencia del entrelazamiento en polarización, que está limitado a solo dos opciones, es decir, dos dimensiones, el entrelazamiento en momento angular orbital permite acceder a un número infinito de dimensiones, lo cual implica que cada fotón puede ser enviado utilizando muchas más opciones.

“Este hecho eleva la seguridad de la clave de encriptación en forma proporcional a la dimensión. Entre más alta sea la dimensión, más difícil será para un intruso poder descifrar la clave”.

Entender las “caras” de la luz

Las “caras” o estados de la luz es uno de los aspectos que ha estudiado Rosales Guzmán. La primera etapa del proyecto que desarrolla en la Universidad de Witwatersrand, en colaboración con el prestigiado científico Andrew Forbes, consistió en explorar las propiedades de la luz desde el punto de vista clásico (muchos fotones) para codificar información.

“En esta primera fase, conseguimos codificar y decodificar de forma eficiente alrededor de 100 formas o modos diferentes de la luz, esto con la finalidad de utilizar cada uno como un canal para transmitir información”.

Los resultados, publicados en la revista Scientific Reports, abren la posibilidad de aumentar la velocidad de transferencia de la información en forma proporcional al número de modos (cien veces para este caso).

En una etapa posterior, estudió el entrelazamiento clásico con haces vectoriales, es decir, haces de luz entrelazados en su polarización y forma espacial. “El entrelazamiento clásico guarda varias similitudes con el entrelazamiento cuántico, con la ventaja de que no requiere el uso de equipos costosos para generar fotones entrelazados, motivo por el cual se ha popularizado durante los últimos años”.

En esta etapa tuvo la colaboración de Optelix, una compañía local de Sudáfrica especializada en comunicaciones ópticas en espacio libre. Uno de los principales resultados fue demostrar que es posible fusionar el conocimiento académico en el uso de modos espaciales de luz con el expertise de la empresa en las telecomunicaciones en espacio libre, esto es de gran importancia para lograr que el conocimiento no se quede en el laboratorio y pueda salir algún día al mercado y tener un impacto en la sociedad.

Otro resultado importante en esta etapa fue que probaron que el entrelazamiento clásico, fácil de producir y detectar, se puede utilizar para estudiar fenómenos cuánticos.

El entrelazamiento clásico es un tipo de entrelazamiento que se empezó a estudiar hace relativamente poco y guarda varias similitudes con el cuántico. El cuántico se da entre dos fotones que comparten una misma propiedad, mientras que el clásico se da entre varios fotones que comparten dos propiedades.

Estas propiedades son la polarización y el momento angular orbital. Una gran ventaja del entrelazamiento clásico es que no requiere de fuentes especiales para producir fotones individuales ya que se puede producir con muchos fotones, de ahí el nombre de entrelazamiento clásico. La similitud que guardan ambos sistemas es de gran interés puesto que permite estudiar a un nivel clásico fenómenos cuánticos.

“Demostramos que para establecer comunicación entre un satélite y la Tierra, bastaría con utilizar el entrelazado clásico para estudiar los efectos que la turbulencia atmosférica produce en el entrelazamiento cuántico”. Dichos resultados fueron publicados en la prestigiosa revista Nature Physics.

Actualmente, Rosales Guzmán se encuentra en la etapa final del proyecto, la cual consiste en construir, a nivel de laboratorio, un sistema de información híbrido clásico-cuántico altamente seguro.

Sistema híbrido clásico-cuántico

Comúnmente, para poder establecer un sistema de comunicaciones seguro, se requiere de dos canales físicos por los que fluirá la información. Por un canal solo se transmiten fotones individuales (para generar una clave de cifrado con la que se codifica la información) y por el otro viaja la información misma (utilizando muchos fotones).

“La idea detrás de un sistema híbrido es, en esencia, la eliminación física de uno de los canales y el envío de ambos tipos de información (clásica y cuántica) por un canal único. Para distinguir la información cuántica de la clásica, utilizaremos dos longitudes de onda (colores) diferentes, pero también estamos explorando otras opciones”.

Al finalizar este proyecto se espera obtener, por primera vez, la creación de un sistema híbrido de comunicaciones ópticas basado en propiedades fundamentales de la mecánica cuántica.

Tecnologías cuánticas

El trabajo del exbecario del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) es importante para poder desarrollar más y mejores tecnologías cuánticas, las cuales juegan un papel fundamental en diferentes áreas como la seguridad, la medicina y la propia ciencia.

“En particular, la generación de sistemas cuánticos de alta seguridad ha despertado un gran interés debido a que muchas de nuestras actividades cotidianas, que en su mayoría realizamos a través de Internet, están expuestas a posibles intrusos que podrían acceder a nuestra información personal, como nuestras claves bancarias”.

Asimismo, desde hace varios años se está trabajando en el desarrollo de un ordenador cuántico que impactará en muchos de los campos de investigación, tales como la física o la medicina. Por ejemplo, se podrán realizar operaciones matemáticas o simulaciones a velocidades imposibles de alcanzar con las tecnologías actuales, ni siquiera con las computadoras más modernas.

Las tecnologías cuánticas también darán acceso a una mayor velocidad de cómputo, lo cual es una herramienta poderosa para la meteorología, donde todo el tiempo se están analizando grandes cantidades de datos para poder predecir las condiciones climáticas con mayor precisión.