Historia, avances y perspectivas de la criptografía cuántica

Las tecnologías cuánticas se encuentran en una fase de rápido avance y exploración, prometiendo revolucionar campos como la computación, la criptografía y las comunicaciones. Aunque aún en sus etapas incipientes, el progreso en la computación cuántica ha sido notable, con empresas y laboratorios de investigación avanzando hacia la construcción de computadoras cuánticas más potentes y estables. En paralelo, la criptografía cuántica se está perfilando como una solución robusta para los desafíos de seguridad emergentes, especialmente en lo que respecta a la privacidad y la protección de datos. La comunicación cuántica, a través de la teletransportación y el entrelazamiento cuántico, también ha demostrado un potencial enorme para habilitar canales de comunicación ultraseguros y eficientes. A pesar del entusiasmo y los avances, las tecnologías cuánticas aún se enfrentan a desafíos significativos en términos de escalabilidad, errores y control técnico, requiriendo un esfuerzo sostenido en investigación y desarrollo para alcanzar su potencial transformador completo.

Fundación Innovación Bankinter celebró su último think tank Future Trends Forum bajo el lema Quantum Computing e Inteligencia Artificial: la revolución silenciosa, reuniendo a más de cuarenta expertos con perfiles científicos, investigadores, emprendedores y directivos, para analizar el estado del arte de estas tecnologías y las oportunidades a futuro.

Entre los expertos reunidos, contamos con Artur Ekert, Catedrático de Física Cuántica y Criptografía en la Universidad de Oxford, Director Fundador de CQT Singapur y co-inventor de la criptografía cuántica. Por su descubrimiento de la criptografía cuántica recibió la Medalla y el Premio Maxwell 1995 del Instituto de Física británico, la Medalla Hughes 2007 de la Royal Society inglesa y el Micius Quantum Prize 2019 chino. También es co-receptor del Premio Descartes de la Unión Europea de 2004. En 2016 fue elegido miembro de la Royal Society.

El Prof. Ekert ha participado en un webinar donde nos ofrece una lección magistral sobre criptografía cuántica: tras un repaso histórico de la criptografía y de la investigación científica, explica la importancia de las desigualdades de Bell desde que fueron propuestas en 1964 hasta su reconocimiento con el Premio Nobel en 2022. Explora su importancia en la física cuántica y la criptografía, así como los experimentos pioneros que revelaron su importancia. Ekert profundiza en cómo estas desigualdades pasaron de ser una mera curiosidad filosófica a ser fundamentales en la seguridad de la comunicación cuántica.

Aquí puedes ver el webinar con el Prof. Ekert:

#FutureTalks Criptografía cuántica con Artur Ekert

De la curiosidad a la criptografía: un viaje histórico hacia las comunicaciones seguras

Artur Ekert, en esta primera parte de su lección magistral, relata la interconexión entre dos áreas aparentemente distintas: la criptografía, es decir, el arte de la comunicación segura, y los descubrimientos de la física impulsada por la curiosidad, específicamente en la búsqueda de entender la naturaleza a un nivel fundamental. A través de un recorrido histórico, Ekert nos lleva desde los primeros intentos de los seres humanos por proteger sus comunicaciones, hasta los avances contemporáneos que buscan fusionar la criptografía con la física cuántica.

Comienza su relato con una retrospectiva alrededor del año 400 a.C., cuando los griegos inventaron el dispositivo escítala para permutar caracteres y cifrar mensajes. Avanza a través de los siglos hasta el Renacimiento, donde resalta el cifrado de Alberti como un esfuerzo significativo para mejorar la comunicación secreta. Ekert también menciona la máquina Enigma del siglo XX, que aunque se consideraba impenetrable, fue descifrada gracias a los esfuerzos de matemáticos polacos y más tarde, acabada de descifrar por Alan Turing.

Introduce el concepto de cifrado perfecto a través del ‘One Time Pad’ de Claude Shannon, un sistema que garantiza una seguridad impenetrable siempre que las claves utilizadas sean verdaderamente aleatorias, secretas y nunca reutilizadas. Sin embargo, Ekert señala que el desafío crucial reside en la generación y distribución efectiva de estas claves entre las partes que se comunican, representadas por los personajes habituales en criptografía: Alice y Bob.

Posteriormente, se adentra en la evolución de los sistemas criptográficos de clave pública, que ofrecen una solución parcial al problema de distribución de claves al permitir que cualquier persona cifre mensajes, pero sólo el destinatario correcto pueda descifrarlos. A pesar de la belleza de estos sistemas, Ekert enfatiza su vulnerabilidad, ya que su seguridad depende de la dificultad de ciertos problemas matemáticos que podrían ser resueltos eficientemente con el advenimiento de las computadoras cuánticas. Menciona cómo esto ha llevado a la comunidad criptográfica a buscar sistemas resistentes a los ataques cuánticos.

Ekert subraya la importancia de la investigación impulsada por la curiosidad en el avance de la criptografía, y cómo la intersección de estas disciplinas ha generado una entidad nueva y prometedora en la búsqueda de la comunicación segura: la criptografía cuántica podría ser la respuesta a la búsqueda de una comunicación absolutamente segura.

De la Antigüedad a la Cuántica: explorando la aleatoriedad y su encuentro con la criptografía

En esta segunda parte del webinar, Artur Ekert continúa explorando la relación entre la criptografía y la física, enfocándose ahora en la investigación impulsada por la curiosidad sobre la naturaleza del azar. Comienza con un debate histórico entre filósofos antiguos como Epicuro y Demócrito sobre si la aleatoriedad es objetiva o subjetiva. Se toca el aspecto teológico de la aleatoriedad y cómo impacta en la noción de libre albedrío, con implicaciones en la responsabilidad moral.

Ekert luego expone la insatisfacción de Albert Einstein con la teoría cuántica, particularmente con su naturaleza probabilística que desafía la previsibilidad determinística. Ejemplifica la aleatoriedad inherente en la física cuántica con un experimento que involucra un divisor de haz y fotones individuales, resaltando cómo el comportamiento de los fotones desafía las expectativas clásicas.

Posteriormente, Ekert introduce las desigualdades de Bell (básicamente, es un teorema que evidencia la imposibilidad de explicar los fenómenos cuánticos mediante teorías clásicas), formuladas por John Bell, que proporcionaron una proposición comprobable para el debate sobre la aleatoriedad. Describiendo experimentos que buscan verificar estas desigualdades, Ekert menciona el trabajo pionero de John Clauser y el experimento más concluyente de Alain Aspect que evidenció la violación de las desigualdades de Bell, sugiriendo una aleatoriedad inherente en la naturaleza.

Ekert entonces une las narrativas de la criptografía y de la física cuántica. Resalta cómo la búsqueda de un cifrado perfecto en criptografía requiere aleatoriedad verdadera en dos ubicaciones diferentes, y cómo los hallazgos en la física cuántica proporcionan esa aleatoriedad. Menciona la fusión de estos campos por Gilles Brassard y Charles Bennett, aunque destaca que la verdadera convergencia de la criptografía y las bases de la física ocurrió más tarde. La fusión de estos campos no solo avanzó en la comprensión fundamental de la naturaleza, sino que también inspiró aplicaciones prácticas en criptografía. Los experimentos que se realizaron para validar las desigualdades de Bell fueron esenciales para diseñar sistemas seguros de cifrado. Esta confluencia de la criptografía y la física cuántica, indica Ekert, ha elevado el nivel, expandiendo la investigación desde un enfoque puramente teórico hasta explorar aplicaciones prácticas en las comunicaciones seguras.

Criptografía cuántica: uniendo la aleatoriedad cuántica y la seguridad cibernética

En la tercera parte del webinar, Artur Ekert destaca el desarrollo y la práctica real de la criptografía cuántica. Ekert resalta cómo la violación de las desigualdades de Bell demostró que los fotones no portan valores de polarización predeterminados antes de la medición, lo cual se traduce en una inmunidad contra el espionaje. La relevancia de esta violación no solo radica en su significado teórico, sino en cómo habilita la criptografía independiente del dispositivo, un escenario casi utópico para los criptógrafos, ya que minimiza las asunciones en la comunicación segura y permite verificar la integridad de los dispositivos criptográficos, incluso si estos son proporcionados por una fuente no confiable.

Ekert cita sus primeros experimentos que realizó en 1991 en la Agencia Australiana de Investigación de Defensa y cómo fue un desafío persuadir a las autoridades para explorar temas semi-filosóficos para aplicaciones prácticas. Reconoce el trabajo de Rotem Arnon-Friedman, Renato Renner y Thomas Vidick, quienes proporcionaron una prueba sólida de la seguridad de esta forma de criptografía, lo que a su vez ha sido corroborado por experimentos recientes que demuestran la viabilidad de la criptografía cuántica independiente del dispositivo.

Un hito notable en la experimentación fue el realizado por científicos chinos en 2019, quienes utilizaron un satélite dedicado para distribuir claves usando fotones entrelazados a lo largo de más de 1000 km. Ekert también menciona el reconocimiento a los ya mencionados Alain Aspect y John Clauser junto con Anton Zeilinger con el Premio Nobel, lo cual marca un reconocimiento de la confluencia entre la investigación impulsada por la curiosidad y las aplicaciones criptográficas prácticas.

Sección de Preguntas y Respuestas (Q&A):

Sobre la ruptura de claves criptográficas con una computadora cuántica: Ekert asegura que las técnicas cuánticas de encriptación son inmunes a los ataques cuánticos, por lo que, tener o no una computadora cuántica, no afectaría la seguridad de la distribución de claves cuánticas.

Aplicaciones prometedoras de la criptografía cuántica: Ekert menciona que la criptografía cuántica es especialmente útil para la comunicación punto a punto. Aunque reconoce que aún hay áreas donde la criptografía clásica puede ser más aplicable, ve un futuro prometedor para la criptografía cuántica en la sincronización segura de bases de datos entre diferentes ubicaciones.

La mayoría de los sistemas comerciales de Distribución Cuántica de Claves (QKD, por sus siglas en inglés) se basan en métodos donde se preparan y luego se miden las partículas para el intercambio de información. Sin embargo, se pregunta si hay otro sistema basado en entrelazamiento (una conexión especial entre partículas) que podría ser más útil: Ekert menciona que, durante mucho tiempo, crear un entrelazamiento de alta calidad entre partículas ha sido muy difícil debido a limitaciones tecnológicas. Pero resalta una diferencia importante con un nuevo enfoque: la criptografía independiente del dispositivo. Este enfoque permite verificar que los dispositivos que se utilizan para la comunicación segura estén funcionando correctamente, incluso si no sabes de dónde vinieron o no confías en quién te los dio. Explica que alguien podría entregarte dispositivos para la comunicación segura, y aunque no confíes en esa persona, podrías usar esos dispositivos siempre que pasen ciertas pruebas estadísticas, que están relacionadas con las desigualdades de Bell.

El punto crucial es que este tipo de verificación y seguridad solo se puede lograr con criptografía basada en el entrelazamiento, y no con el método tradicional de preparar y medir partículas. Por lo tanto, si se busca una seguridad perfecta, donde incluso no se confía en los dispositivos utilizados, la criptografía basada en entrelazamiento es el camino a seguir.

Generación de claves de encriptación aleatorias usando dispositivos computacionales: Ekert señala que, aunque existen generadores de números pseudoaleatorios, la criptografía cuántica permite la generación de claves aleatorias en diferentes ubicaciones que son idénticas y seguras, una necesidad no satisfecha por los métodos clásicos. También menciona que se han producido desarrollos matemáticos recientes en la expansión y amplificación de la aleatoriedad que están beneficiado el campo de la criptografía cuántica.

Si quieres profundizar en las tecnologías cuánticas y qué pueden representar a corto, medio y largo plazo, te invitamos a leer el informe del Future Trends Forum Quantum e inteligencia artificial: la revolución silenciosa.