La revolución cuántica y los desafíos de la seguridad

Cada vez más, escuchamos hablar en los seminarios de seguridad de la información o leemos en Internet acerca de la mecánica, computación y criptografía cuántica. No obstante, no estamos seguros de entender qué son esos conceptos y cuál es su utilidad. En esta publicación trataremos de abordar algunas cuestiones básicas para facilitar la comprensión de esta maravillosa disciplina.

Todo comienza, para variar, cuando en Grecia…

Demócrito, un filósofo griego que vivió aproximadamente en el siglo IV a. C., consideró que la materia estaba constituida por pequeñas partículas indivisibles, que luego denominó “átomos”, lo que en griego significa “indivisible”. No obstante, sus colegas de la época no estuvieron muy de acuerdo con ello y no fue hasta más de 2.000 años después que se volvió a considerar su idea. Así fue que a principios de 1.900, el físico neozelandés Ernest Rutherford anunció que la estructura del átomo era vacía y luego, algunos años después, el físico teórico alemán Werner Heisenberg enunció el principio de incertidumbre por el cual luego, entre otras cosas, sería reconocido con el Premio Nobel en 1932. En su principio, Heisenberg -no, no estamos hablando del alter ego de Walter White en Breaking Bad sino de quien probablemente lo inspiró- citó que no se puede medir la posición y la velocidad (momentum) de una partícula simultáneamente sino que se establece la probabilidad de que la partícula se encuentre en tal posición en un instante dado.

De hecho, un dato curioso respecto a esta teoría es que Albert Einstein finalmente se resistía a aceptarla, dado que plantea un universo de fenómenos aleatorios y no ese modelo determinista que defiende la física moderna. Aquellos que conocen su famosa frase “No creo que Dios juegue a los dados con el universo” ahora ya saben por qué la enunció. Según cuenta la historia, Max Born le retrucó “Señor Einstein, deje de decirle a Dios lo que tiene que hacer”.

Por lo tanto, ¿qué es entonces la física – o mecánica o teoría – cuántica?

Básicamente, es un conjunto de teorías que nos explica cómo se comportan las partículas fundamentales.

Lo interesante en este modelo es que sus propiedades son difíciles de entender si sólo comprendemos el paradigma clásico, ya que en la física cuántica las partículas pueden atravesar paredes, teleportarse e incluso estar en dos lugares al mismo tiempo. Sí, aunque suene irreal, en dos lugares.

¿Cómo se vincula esto con la criptografía?

Para trasladar esta teoría a la criptografía hace falta primero definir algunos –no todos– elementos de la física cuántica:

  • Superposición

Un bit cuántico (qubit) es el equivalente cuántico del bit tradicional, una unidad de información. La diferencia fundamental con el clásico es que puede valer 0, 1 o ambos valores al mismo tiempo. Quizá suene difícil de imaginar cuando lo leemos pero justamente esta es una característica de la mecánica cuántica: nos saca del paradigma de pensamiento tradicional y nos transporta al filosófico mundo de la ciencia menos exacta.

  • Incertidumbre

Dado que la posición y la velocidad son variables complementarias, cuanto más precisa es la posición menos sabemos de su velocidad. De igual forma, cuanto más sabemos de su velocidad menos conoceremos de su posición.

  • Entrelazado (entanglement)

Se trata de un fenómeno en el cual dos partículas, separadas a cualquier distancia, podrían afectarse una a otra como parte de un sistema unificado. Si tomamos dos qubit y medimos uno de ellos y vale cero entonces el otro también vale cero sin que haya ninguna comunicación entre ambos.

El funcionamiento y la “magia” que conlleva este modelo

Básicamente, en la criptografía cuántica se utilizan fotones (partículas elementales) para enviar información. Si bien existen diferentes protocolos para realizar esta comunicación, una alternativa sería crear dos fotones entrelazados y otra sería utilizar dos fotones polarizados. Vale aclarar que el entrelazado podría ser afectado por interferencia por lo tanto el envío de la información podría ser más lento que los mecanismos tradicionales para asegurar el éxito de la transmisión. Como breve reseña a esto, algunos artículos de hace años ya hablaban de criptografía cuántica inalámbrica. A pesar de todo, la seguridad que produce el modelo cuántico contrarresta las limitaciones del protocolo.

Por eso, resulta muy deseable para el mundo criptográfico que tengamos un sistema tan seguro que sea “invulnerable”, no obstante ya varias veces en la historia hemos visto casos de sistemas criptográficos que parecían inviolables y luego perdieron esa condición.

Aún así, el enfoque que plantea la criptografía cuántica es sumamente novedoso frente al paradigma clásico. Imaginen que tenemos un escenario donde un emisor cifra un mensaje con una clave y le envía el texto cifrado al receptor:IMG_CifradoBajo este contexto, se utiliza criptografía simétrica dado que ambos utilizan la misma clave. Mas allá de lo segura que pueda ser esa clave (la suponemos imposible de atacar por fuerza bruta), el desafío mayor en la criptografía moderna es que el receptor reciba la clave para poder abrir el archivo. Que exista un canal suficientemente seguro entre ambos para poder enviar la clave.

Ahí es donde la criptografía cuántica tiene una respuesta interesante: si nos basamos en el mencionado principio de incertidumbre, no existe una forma de que un atacante pueda intentar escuchar el canal (medir el valor del fotón que viaja) sin modificarlo. De esa forma, llegaría alterado a destino y sería fácil de detectar para los que se comunican. Por lo tanto, la criticidad del algoritmo yace en una propiedad física en vez de una complejidad matemática, como por ejemplo, la resolución de números primos grandes cuya imposibilidad de resolver protege actualmente RSA.

Adicionalmente, Artur Eckert, profesor de criptografía cuántica en la Universidad de Oxford y uno de los referentes en la disciplina, publicó una investigación en la prestigiosa revista Nature a fines de marzo de este año. Allí menciona que independientemente de la confiabilidad del dispositivo que se use y lo rodeado de atacantes que estuviera el entorno, la privacidad del mensaje aún sería posible. Para eso, lo que tendría que asegurarse es que existan números aleatorios verdaderamente aleatorios y que haya entrelazamiento cuántico.

Entiendo, pero… además de la NASA o Google, ¿quién puede tener un aparato así?

Actualmente estas máquinas son fabricadas principalmente por D-Wave, una empresa canadiense y una de las líderes en el mercado de computadores cuánticas. Ellos desarrollaron la D-Wave Two System, que sería la primera computadora cuántica comercial del mundo, según sus palabras. Es 3.600 veces más rápida que una súper computadora actual, mientras que tiene un consumo de 15.5 kW que resulta ínfimo comparado a los miles de kW que necesitaría una súper computadora.

Adicionalmente, si bien el costo no está publicado en su sitio, se estima que puede alcanzar los 15 millones de dólares, lo cual hace que sus clientes sean empresas muy selectas. No obstante, a medida que pasen los años se espera tener precios más competitivos y un alcance mayor.

Quizá eso podría ocurrir en unos 10 años o incluso ¿antes de finalizar esta década? Sea como sea, creemos que será un gran paso en la forma de comunicarse de las personas. Si consideramos que la potencia de la computadora que se encontraba en el Apollo 11 y puso al hombre en la luna en 1969 podría ser menor a la de un smartphone de hoy, ¿qué podríamos hacer con una computadora de ese tipo en el futuro próximamente? ¿Será que estamos frente a una inminente revolución cuántica?

Créditos imagen: ©UCL Mathematical and Physical Sciences/Flickr
 

Autor , ESET

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