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Criptografía cuántica infalible
Investigadores de Toshiba, en Cambridge, Reino Unido, han encontrado una manera de tapar un agujero de seguridad que actualmente limita hasta qué punto y qué tan rápido se pueden distribuir las claves de cifrado utilizando los sistemas criptográficos cuánticos existentes. Los desarrollos podrían ampliar el atractivo comercial de la distribución de claves cuánticas incondicionalmente segura, dice Andrew Shields, director de Grupo de información cuántica en Toshiba Research Europe, quien dirigió la investigación.
Peligro en cifras: Hacer que el cifrado cuántico sea totalmente seguro requerirá el uso de pulsos de fotón único. En la foto se muestra un nuevo diodo emisor de luz capaz de generar tales pulsos.
Actualmente, la criptografía cuántica solo se utiliza para enviar claves de cifrado entre edificios por parte de algunos bancos y departamentos gubernamentales. Pero los sistemas solo pueden garantizar la seguridad en distancias relativamente cortas. El desafío es ampliar el alcance y aumentar la velocidad a la que se pueden enviar las claves para que se puedan usar más ampliamente, dice Shields.
Los sistemas comerciales de criptografía cuántica actuales están diseñados para permitir que dos partes intercambien claves de cifrado secretas sin correr el riesgo de que sean interceptadas. Esto se hace codificando la información de la clave digital en ráfagas de luz enviadas a través de fibras ópticas estándar.
Los 1 y 0 de estas claves digitales están codificados en retrasos de tiempo entre pulsos de fotones individuales. En teoría, lo que hace que esto sea tan seguro es que cualquier intento de un fisgón de interceptar la señal implicará necesariamente la eliminación de fotones individuales de la señal, un acto que puede detectarse.
En la práctica, sin embargo, este tipo de seguridad incondicional solo puede garantizarse realmente si la fuente de luz de uno no emite más que fotones individuales. Dado que este no es el caso del cifrado cuántico actual, es posible que se produzcan ataques de escucha clandestina. En una estrategia, un fisgón extrae fotones individuales; este ataque se basa en el hecho de que algunos pulsos constarán de más de un fotón, lo que significa que no se perderán.
Para evitar esto, los sistemas comerciales de cifrado cuántico existentes utilizan trucos para reducir la probabilidad de que los pulsos contengan múltiples fotones. Por ejemplo, los sistemas pueden limitar la intensidad de cada pulso y reducir la tasa de bits a la que se envían. Sin embargo, la compensación es que cuanto más débil es un pulso, menos distancia puede viajar, mientras que una tasa de bits más lenta limitará la velocidad a la que se pueden distribuir las claves, dice Shields.
La solución de Toshiba es incluir dentro de la señal lo que Shields llama pulsos señuelo. Estos pulsos se intercalan aleatoriamente dentro de la señal y son más débiles que el resto de la señal. Esto significa que rara vez constan de más de un fotón. Si un fisgón intenta bloquear fotones individuales mientras extrae varios fotones del resto de los pulsos, en promedio se bloquearán más pulsos señuelo que el resto de la señal. Entonces, al monitorear la proporción de señales a los pulsos señuelo que lo atraviesan, es posible detectar un ataque.
El uso de este enfoque de señuelo permite usar pulsos de láser más potentes, lo que a su vez permite aumentar la tasa de bits y, de la misma manera, la distancia a la que se puede enviar, dice Shields. Las señales no tímidas pueden alcanzar unos 43 bits por segundo en una distancia de unos 25 kilómetros. Pero el enfoque de señuelo puede alcanzar 5,5 kilobits por segundo, que es un aumento de 100 veces.
Ya es posible obtener seguridad incondicional, pero el desafío es hacerlo en distancias más largas, dice Gregoire Ribordy , CEO y fundador de identificación cuántica , la empresa suiza que, en 2002, lanzó un sistema comercial de criptografía cuántica. Este señuelo le permite aumentar el rango o la tasa de bits para una distancia determinada, dice Ribordy.
El enfoque de señuelo es una defensa muy útil contra este tipo de ataque a la criptografía cuántica, y varios grupos ahora están trabajando en enfoques similares, dice. Franco Wong , del grupo de ciencia de la información cuántica del MIT. Pero el problema con las afirmaciones sobre la seguridad incondicional es que actualmente no hay forma de probarla, excepto a través de la simulación, dice Wong.
El segundo avance que ha hecho el grupo tiene una importancia más a largo plazo, dice Shields. Este es el desarrollo de un diodo emisor de luz capaz de emitir fotones individuales de manera más confiable. Con la distribución de claves cuánticas, lo ideal es enviar solo fotones individuales, dice. Si uno puede hacer esto de manera confiable, la transmisión sería realmente impermeable a cualquier ataque, y técnicas como los pulsos de señuelo se volverían redundantes.
El enfoque de Toshiba es crear una matriz de puntos cuánticos, cada uno de los cuales mide 45 nanómetros de diámetro y es capaz de emitir solo fotones individuales. Aunque un diodo emisor de luz fabricado con estos puntos cuánticos todavía emite ocasionalmente más de un fotón, las posibilidades de que esto suceda son cinco veces menores de lo que serían si se usara un láser. Hay otras formas de producir fotones individuales, pero uno de los beneficios de usar puntos cuánticos es que pueden integrarse y controlarse fácilmente mediante dispositivos electrónicos. El control mediante un voltaje en lugar de un láser es una gran ventaja porque los dispositivos eléctricos son mucho más compactos y robustos, dice Shields.