Criptografía y dinero cuántico

La criptografía pública se ha convertido en la única solución razonable para comunicaciones seguras en un entorno tan abierto como es Internet.

A pesar de esto, los estudios continúan y el auge en la computación y criptografía cuántica son cada vez mayores. En 1985, David Deutsh, describiría su visión de un ordenador cuántico que funcionaría de acuerdo a las leyes de la mecánica cuántica. Su esencia reside en “la superposición de estados”, según la cual una máquina podría ejecutar al mismo tiempo diferentes instrucciones, sacando partido a las leyes de la física cuántica.

En un ordenador cuántico tenemos 1s y 0s (que representa mediante partículas giratorias) que están en superposición cuántica, denominándose bits cuánticos o “qubits”. Si, por ejemplo, fuera posible la superposición apropiada con 250 partículas, un ordenador cuántico podría realizar 10^75 computaciones en un segundo.

Para muchos la computación cuántica anulará la seguridad de la criptografía pública actual; para otros no existe problema, pues justifican que con aumentar los primos que se utilizan para generar las claves es suficiente. La cuestión es ¿cuánto tenemos que aumentar los primos si no conocemos la velocidad de computación...?

Por ejemplo, en 1994 Peter Shor, de los laboratorios AT&T Bell en Nueva Jersey, se planteó definir un programa para un ordenador de este tipo, el programa perseguido uno que factorizara un número gigante, justo el problema a resolver en algoritmos como RSA. Las estimaciones están en que podría factorizar un número un millón de veces mayor que los que se utilizan en la actualidad en una millonésima de tiempo. Desgraciadamente, Shor no podía demostrar su programa de factorización, porque todavía no existe nada parecido a un ordenador cuántico que se conozca.

Para muchos otros la solución reside en la criptografia cuántica. Esta nueva criptografía se considera el milagro tecnológico, un sistema de cifrado imposible de romper, incluso si fuera posible construir un ordenador cuántico.

En 1984, los físicos Charles Bennett (IBM) y Gilles Brassard (Universidad Montreal) desarrollan el protocolo BB84, que ya reflejaba que la criptografía cuántica era factible. Por ejemplo, en la actualidad la compañía norteamericana “MagiQ Technologies” y la suiza “ID Quantique” son las primeras que venden equipos de distribución de claves mediante fotones. Estos sistemas de distribución cuántica de claves se venden por unos 100.000 euros, y sólo funcionan con total seguridad en enlaces dedicados de fibra óptica inferior a 25 kilómetros en el caso de los distribuidos por la empresa MagiQ Technologies.

Pero ¿cuáles son sus orígenes y en qué consiste?

La historia de la criptografía cuántica se remonta a una curiosa idea desarrollada a finales de 1960 por Stephen Wiesner, el cual acababa de inventar el concepto de “dinero cuántico”, imposible de falsificar.

El dinero cuántico de Wiesner se basaba enormemente en la física de los fotones. Wiesner planeó usar la polarización de los fotones para crear billetes de dólar imposibles de falsificar, conteniendo 20 trampas de luz, diminutos aparatos que son capaces de capturar y retener un fotón. Wiesner sugirió que los bancos podrían utilizar cuatro filtros Polaroid orientados de 4 maneras diferentes para llenar las 20 trampas de luz con una secuencia de 20 fotones polarizados, usando una frecuencia diferente para cada billete. Esta idea es brillante y teóricamente cierta. Sin embargo, es una idea totalmente inviable, ya que aunque los ingenieros tuvieran la tecnología para atrapar fotones en un estado polarizado particular durante un período de tiempo lo suficientemente largo, la tecnología resultaría demasiado cara: costaría alrededor de 1 millón de dólares proteger cada billete de 1 dólar. Tal era la inviabilidad de la idea que nadie se la tomó en serio. Por suerte, un viejo amigo suyo llamado Charles Bennett había quedado entusiasmado con la idea, en lo que consideró como una de las ideas más brillantes que había visto en su vida.

Y es precisamente éste el origen de la criptografia cuántica. La idea era sencilla: para que Eva descifre un mensaje cifrado entre Alicia y Benito, primero debe interceptarlo, lo que significa que de alguna manera “debe percibir con exactitud el contenido de la transmisión”. El dinero cuántico de Wiesner era seguro, porque resultaba imposible percibir con exactitud las polarizaciones de los fotones atrapados en los billetes. Bennett y Brassard se preguntaron qué sucedería si un mensaje cifrado fuera representado y transmitido mediante una serie de fotones polarizados. En teoría, parecía que Eva no podría leer con exactitud el mensaje cifrado y si no podía leer el mensaje cifrado, entonces no podría descifrarlo. La gracia de esta arquitectura no es que nos permita cifrar nuestros datos, sino que habilita procedimientos para que los datos comunicantes acuerden claves aleatorias de N bits, las cuales pueden utilizar para aplicar un cifrado Vernam, el unico algoritmo criptografico seguro desde el punto de vista de la teoria de la información. El problema de distribución de claves encuentra pues su solución.

La criptografía cuántica ya ha dejado de ser futuro, para ser presente. La pregunta es ¿hemos conseguido la seguridad perfecta? Pues la respuesta es: sí y no.

Teóricamente la definición es perfecta, la cuestión es que los aparatos no lo son, y existen por tanto problemas; por ejemplo, la existencia de pulsos con más de un fotón, combinado con pérdidas en el canal y errores de los receptores, permitiría a un intruso romper el esquema. Actualmente se plantean varias alternativas para superar esta restricción, utilizando fuentes ideales de fotones con satélites de órbita baja o repetidores cuánticos. Los satélites de órbita baja tienen el problema que deben funcionar como un centro fiable, en el cual los usuarios se deberían fiar de que nadie accede a su información. Por otro lado, están los repetidores cuánticos, que no necesitan centros fiables ni límites de distancia; su problema radica en que actualmente su viabilidad tecnológica es lejana.

Feliz Año Nuevo.

Alfonso Múñoz