¿Te imaginas un mundo en el que tu información personal no fuera vulnerable? Considera que cada vez que se realiza una compra on-line por Amazon, Mercado Libre o cualquier otra tienda virtual, es importante que los datos bancarios permanezcan seguros. Sin embargo, el avance conceptual generado por la información y computación cuántica, áreas de investigación que surgieron de la integración de la mecánica cuántica y la teoría de la información, ha puesto en riesgo la seguridad de la transmisión de datos que se tiene con la tecnología actual si se culmina la construcción de una computadora cuántica con un número suficiente de qubits, poniendo en peligro la transmisión de información que se transmite por internet y por gobiernos, entre otros. La criptografía cuántica viene al rescate de la seguridad en la transmisión de información para contrarrestar estos riesgos.
Por otra parte, el avance inevitable logrado por la información cuántica puso en primer plano que la información es un fenómeno físico, desatándose desde sus inicios una carrera para su implementación en la práctica y convirtiéndose actualmente en una competencia comercial entre compañías trasnacionales para desarrollar las primeras computadoras y cripto-sistemas cuánticos, que forman parte de lo que se conoce como tecnologías cuánticas. Esto ha llevado a que los métodos actuales de criptografía clásica estén en peligro de poder ser decodificados. La seguridad se ha vuelto, pues, una palabra clave ya que nuestra información puede volverse vulnerable ante estos desarrollos cuánticos.
A lo largo de la historia ha habido muchos sistemas de codificación de gran importancia, como el usado por el célebre Julio Cesar; sin embargo, podemos mencionar que fue únicamente hasta el siglo XX que se propuso un método, ideado por Gilbert Vernam, que no puede ser descifrado a menos que se conozca la clave o llave; éste es conocido como el sistema “one-time pad”. En este método, primero se traslada el mensaje a números binarios (de ceros y unos) usando el código ASCII y se usa una llave para codificar el mensaje. La llave, que es otro número binario, pero aleatorio, tiene que ser conocida por ambas partes, el receptor y el transmisor. Es decir, se usa la misma llave para codificar y decodificar el mensaje. Es importante recalcar que este es un método seguro que no puede ser decodificado a menos que se conozca la llave. Por ejemplo, si el mensaje es la palabra en inglés “BY”, primero se traslada a número binario como: 01000010 01011001. El segundo paso sería codificar este número usando una operación matemática que se conoce como suma modulo 2, empleando para ello una llave que debe ser un número binario completamente aleatorio. Una vez codificado la única forma de decodificarlo es usando la llave. Sin embargo, a pesar de que éste es un sistema de codificación completamente seguro tiene algunas desventajas i) su clave puede ser usada únicamente una vez, ii) Existe el problema de cómo compartir la llave entre el emisor y el receptor, iii) la Llave debe ser del mismo tamaño que el mensaje.
En las transacciones bancarias actuales se usa un encriptamiento clásico, que basa su seguridad en el hecho de que los algoritmos de descifrado son muy lentos, una conjetura matemática no probada. Algunos de estos métodos (por ejemplo el método RSA) basan su seguridad en la lentitud de los algoritmos para encontrar los factores primos de un número muy grande (de mil dígitos, por ejemplo). Sin embargo, con el advenimiento de la computación cuántica, capaz de generar algoritmos más rápidos para factorizar números, la criptografía clásica actual está en riesgo. Además, sólo usando computación clásica existe el peligro de que se descubran nuevos algoritmos más eficientes o bien se disponga de grandes recursos computacionales como un conjunto de supercomputadoras para decodificar la información.
Antes del advenimiento de la computación cuántica, en la década de 1970 Stephen J. Wiesner publicó un artículo titulado “Codificación conjugada”, donde se estableció por primera vez el uso de la mecánica cuántica para tareas de seguridad. En este artículo se usan características de la mecánica cuántica que antes eran vistas como “negativas”, por ejemplo: no se puede medir sin perturbar al sistema y la indeterminación simultanea del momento y posición de un estado. Fue este estudio inicial el que les permitió a Charles Bennett y a Gilles Brassard proponer en 1984 el primer protocolo de distribución de claves en criptografía cuántica: el protocolo BB84. Este protocolo se basa en codificar las variables aleatorias de la llave en un sistema cuántico: la polarización del fotón.
En otras palabras, la criptografía cuántica vino al rescate de la seguridad en la transmisión de información mediante la generación de llaves cuánticas —una tecnología novedosa que está emergiendo— aún antes de que se generara el peligro; ya que el primer algoritmo para factorización eficiente de números usando computación cuántica se propuso en 1994 por Peter Short aunque a la fecha todavía no se tienen computadoras cuánticas con más de 100 qubits, lo cual no permite implementar dicho algoritmo todavía.
Las llaves cuánticas pueden ser trasmitidas públicamente (distribución de llaves cuánticas o DLC) y su seguridad se basa en dos hechos: i) si alguien roba información de la llave se puede detectar debido a las características de los estados cuánticos, en particular que si se miden se perturban, como se muestra en uno de los Principios de Incertidumbre de Heisenberg; y ii) El teorema de la no-clonación de estados cuánticos. En otras palabras, para que alguien robe la información tiene que realizar una medición, pero esta actividad dejaría huella ya que la medición realizada perturbaría al sistema; y si el sistema es perturbado, entonces se desecha la llave. O bien, debido a que no se puede clonar el estado cuántico, entonces la información tampoco se puede copiar. En este sentido, características no deseadas de los sistemas cuánticos, la perturbación y la no clonación, se convierten en algo positivo para la seguridad de la información.
Algunos desafíos que se encuentran para la distribución de llaves cuánticas (DLC) es mejorar la relación entre la transmisión y la distancia a la cual se deben de distribuir las llaves; para ello se usan repetidores cuánticos con los cuales se construyen redes de nodos, pero estos necesitan ser mejorados. Un ejemplo es el nodo Óptico DARPA entre Boston y Cambridge, en Estados Unidos. Otro camino que se sigue en la DLC es la distribución Tierra-satélite, que enfrenta desafíos como la perturbación causada por cambios climáticos.
En resumen, la criptografía cuántica representa la primera oportunidad que tiene la humanidad para construir sistemas de transmisión de información 100 por ciento seguros, preservando, entre otras cosas, su información y patrimonio sin riesgo. Motivo por el cual muchos países ya se encuentran desarrollando sus propias redes de criptografía cuántica.
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