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La seguridad dará un salto con la criptografía cuántica

Ciudad de México.- 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).

Un salto cuántico

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.

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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”.

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.

Fuente: conacytprensa.mx