El avance cuántico anuncia una nueva generación de mensajería perfectamente segura

Allá por la década de 1980, los físicos cuánticos descubrieron que las extrañas reglas de la mecánica cuántica permitían enviar información de una parte del universo a otra con total privacidad. Esta llamada criptografía cuántica sería perfecta, dijeron, porque la seguridad del mensaje estaría garantizada por las propias leyes de la física.

En unos pocos años, los investigadores demostraron la técnica en el laboratorio y, en la actualidad, la criptografía cuántica se está volviendo comercialmente viable gracias a empresas como ID Quantique en Ginebra, Suiza.

Pero todo el mecanismo es un poco contrario a la intuición. El mensaje privado no se envía usando mecánica cuántica en absoluto. En cambio, los físicos usan procesos cuánticos para enviar un código llamado bloc de notas de un solo uso que se usa para encriptar el mensaje original. A continuación, el mensaje cifrado se envía a través de un canal de telecomunicaciones ordinario y se decodifica de la forma habitual. La técnica se llama distribución de clave cuántica.

Alice y Bob pueden intercambiar mensajes perfectamente seguros utilizando la nueva técnica cuántica.

Los informáticos saben que un mensaje codificado con un bloc de notas de un solo uso no se puede descifrar. Entonces, la seguridad proviene de la capacidad de enviar el bloc de notas de un solo uso con perfecta privacidad, que es lo que garantiza este enfoque.

Y eso plantea una pregunta interesante. Si es posible enviar el bloc de notas de un solo uso de forma segura utilizando la mecánica cuántica, ¿por qué no enviar el mensaje original de esa manera?

Hoy, Wei Zhang en la Universidad de Tsinghua en Beijing y algunos amigos dicen que han hecho precisamente esto. El nuevo proceso se llama comunicación directa cuántica segura y el equipo chino lo ha utilizado a través de 500 metros de cable de fibra óptica por primera vez.

La razón por la que los físicos han confiado en las libretas de un solo uso en el pasado es simple. El problema es si un mensaje ha sido escuchado. Los físicos pueden comprobar esto porque las partículas cuánticas no se pueden medir sin destruir la información que contienen.

Entonces, cuando se transmiten fotones, si llegan en el mismo estado en que fueron enviados, un intruso no puede haber extraído la información que contienen. Pero si llegan en un estado diferente, eso es una clara evidencia de que la información se ha filtrado al medio ambiente y el mensaje no es seguro.

(En la práctica, los físicos pueden estar seguros de que un mensaje es seguro siempre que esta fuga esté por debajo de un umbral crítico).

El problema es que la fuga se hace evidente solo después de que ha ocurrido. Entonces, un espía ya tendría la información para cuando los físicos se enteraran de la artimaña.

Es por eso que usan este proceso para enviar un pad de una sola vez, un conjunto de números aleatorios que se pueden usar para cifrar un mensaje. Si se escucha el bloc de notas de un solo uso, los físicos simplemente lo ignoran y envían otro, hasta que puedan estar seguros de que el proceso fue completamente privado.

Pero a los físicos les encantaría acabar con el bloc de notas de una sola vez si pudieran encontrar una manera de garantizar la confidencialidad de un mensaje antes de enviarlo. Y hace algunos años, los teóricos idearon una manera de hacer esto.

El método explota el fenómeno cuántico del entrelazamiento. Esto ocurre cuando las partículas cuánticas están tan estrechamente vinculadas que comparten la misma existencia, por ejemplo, cuando ambas se crean en el mismo tiempo y lugar.

Cuando esto sucede, las partículas permanecen unidas, incluso cuando están separadas por grandes distancias. Y una medida en una partícula influye inmediatamente en el estado de la otra.

Entonces, el truco consiste en crear un conjunto de partículas entrelazadas, como fotones, y codificar la información en su estado de polarización. Así que la polarización vertical podría representar una 1 y polarización horizontal a 0 , por ejemplo.

El remitente, Alice, se queda con la mitad de cada par y envía los otros a Bob, quien luego tiene un conjunto de fotones que se entrelazan con los fotones de Alice.

Bob separa sus fotones aleatoriamente en dos grupos. Mide las polarizaciones de un conjunto y envía los resultados a Alice. Luego verifica si los estados han cambiado durante la transmisión; en otras palabras, si Eve ha estado escuchando.

Si no, entonces Alice y Bob saben que Eve tampoco pudo haber visto los otros fotones, porque se separaron al azar. Y eso significa que Alice y Bob pueden usar los fotones restantes para transmitir datos mediante el proceso normal de comunicación cuántica, que es perfectamente privado.

Y eso es exactamente lo que han hecho Zhang y compañía. Una de las razones por las que el experimento es difícil es que los fotones deben almacenarse mientras se lleva a cabo este proceso de verificación. Zhang y compañía hacen esto enviando los fotones alrededor de un bucle de fibra óptica de dos kilómetros y realizando las comprobaciones lo más rápido posible. Cuanto más tarde, más probable es que los fotones sean absorbidos o dispersados ​​por la fibra óptica.

Los resultados muestran claramente el potencial de la técnica. Este sistema QSDC basado en fibra tiene el potencial de lograr una tasa de transmisión cercana a las tasas de clave de seguridad de los actuales sistemas comerciales de distribución de clave cuántica, dicen Zhang y compañía. La ventaja [es] que el sistema QSDC podría transmitir no solo claves seguras sino también la información directamente.

Por supuesto, se necesitan varias mejoras para que este tipo de sistema sea comercialmente viable. Pero el trabajo es un paso importante hacia una comunicación segura totalmente basada en cuántica. Los bancos, los gobiernos y las agencias militares estarán atentos.

Ref: arxiv.org/abs/1710.07951 : Comunicación Directa Segura Cuántica de Larga Distancia Experimental

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