Explicador: ¿Qué es la comunicación cuántica?

Sra. tecnología

Este es el segundo de una serie de explicaciones sobre tecnología cuántica. Los otros dos son sobre computación cuántica y criptografía poscuántica.

Apenas pasa una semana sin informes de algún nuevo mega-hack que exponga grandes cantidades de información confidencial, desde detalles de tarjetas de crédito de personas y registros de salud hasta la valiosa propiedad intelectual de las empresas. La amenaza que representan los ataques cibernéticos está obligando a los gobiernos, los militares y las empresas a explorar formas más seguras de transmitir información.

Hoy en día, los datos confidenciales generalmente se cifran y luego se envían a través de cables de fibra óptica y otros canales junto con las claves digitales necesarias para decodificar la información. Los datos y las claves se envían como bits clásicos: una corriente de pulsos eléctricos u ópticos que representan 1 arena 0 s. Y eso los hace vulnerables. Los hackers inteligentes pueden leer y copiar bits en tránsito sin dejar rastro.

La comunicación cuántica aprovecha las leyes de la física cuántica para proteger los datos. Estas leyes permiten que las partículas, generalmente fotones de luz para transmitir datos a través de cables ópticos, adquieran un estado de superposición, lo que significa que pueden representar múltiples combinaciones de 1 y 0 simultaneamente. Las partículas se conocen como bits cuánticos o qubits.

La belleza de los qubits desde la perspectiva de la ciberseguridad es que si un pirata informático intenta observarlos en tránsito, su estado cuántico súper frágil colapsa en 1 o 0 . Esto significa que un pirata informático no puede alterar los qubits sin dejar un signo revelador de la actividad.

Algunas empresas han aprovechado esta propiedad para crear redes para transmitir datos altamente sensibles basados ​​en un proceso llamado distribución de clave cuántica o QKD. En teoría, al menos, estas redes son ultraseguras.

¿Qué es la distribución de clave cuántica?

QKD implica el envío de datos cifrados como bits clásicos a través de redes, mientras que las claves para descifrar la información se codifican y transmiten en un estado cuántico mediante qubits.

Se han desarrollado varios enfoques o protocolos para implementar QKD. Uno ampliamente utilizado conocido como BB84 funciona así. Imagina dos personas, Alice y Bob. Alice quiere enviar datos de forma segura a Bob. Para ello, crea una clave de cifrado en forma de qubits cuyos estados de polarización representan los valores de bits individuales de la clave.

Los qubits se pueden enviar a Bob a través de un cable de fibra óptica. Al comparar las mediciones del estado de una fracción de estos qubits, un proceso conocido como tamizado de claves, Alice y Bob pueden establecer que tienen la misma clave.

A medida que los qubits viajan a su destino, el frágil estado cuántico de algunos de ellos colapsará debido a la decoherencia. Para dar cuenta de esto, Alice y Bob luego ejecutan un proceso conocido como destilación de claves, que consiste en calcular si la tasa de error es lo suficientemente alta como para sugerir que un hacker ha intentado interceptar la clave.

Si es así, descartan la clave sospechosa y siguen generando otras nuevas hasta que están seguros de que comparten una clave segura. Luego, Alice puede usar la suya para cifrar datos y enviarlos en bits clásicos a Bob, quien usa su clave para decodificar la información.

Ya estamos empezando a ver surgir más redes QKD. El más largo está en China, que cuenta con un enlace terrestre de 2.032 kilómetros (1.263 millas) entre Beijing y Shanghái. Los bancos y otras empresas financieras ya lo están utilizando para transmitir datos. En los EE. UU., una startup llamada Quantum Xchange ha llegado a un acuerdo que le da acceso a 805 kilómetros (500 millas) de cable de fibra óptica que se extiende a lo largo de la costa este para crear una red QKD. El tramo inicial unirá Manhattan con Nueva Jersey, donde muchos bancos tienen grandes centros de datos.

Aunque QKD es relativamente seguro, sería aún más seguro si pudiera contar con repetidores cuánticos.

¿Qué es un repetidor cuántico?

Los materiales de los cables pueden absorber fotones, lo que significa que normalmente no pueden viajar más de unas pocas decenas de kilómetros. En una red clásica, se utilizan repetidores en varios puntos a lo largo de un cable para amplificar la señal y compensar esto.

Las redes QKD han ideado una solución similar, creando nodos confiables en varios puntos. La red de Beijing a Shanghai tiene 32 de ellos, por ejemplo. En estas estaciones de paso, las claves cuánticas se descifran en bits y luego se vuelven a cifrar en un nuevo estado cuántico para su viaje al siguiente nodo. Pero esto significa que en realidad no se puede confiar en los nodos confiables: un pirata informático que violó la seguridad de los nodos podría copiar los bits sin ser detectados y, por lo tanto, adquirir una clave, al igual que una empresa o el gobierno que ejecuta los nodos.

Idealmente, necesitamos repetidores cuánticos, o estaciones de paso con procesadores cuánticos que permitan que las claves de cifrado permanezcan en forma cuántica a medida que se amplifican y se envían a largas distancias. Los investigadores han demostrado que, en principio, es posible construir dichos repetidores, pero aún no han podido producir un prototipo funcional.

Hay otro problema con QKD. Los datos subyacentes todavía se transmiten como bits encriptados a través de redes convencionales. Esto significa que un pirata informático que violó las defensas de una red podría copiar los bits sin ser detectado y luego usar computadoras potentes para intentar descifrar la clave utilizada para cifrarlos.

Los algoritmos de encriptación más poderosos son bastante robustos, pero el riesgo es lo suficientemente grande como para alentar a algunos investigadores a trabajar en un enfoque alternativo conocido como teletransportación cuántica.

¿Qué es la teletransportación cuántica?

Esto puede parecer ciencia ficción, pero es un método real que implica la transmisión de datos totalmente en forma cuántica. El enfoque se basa en un fenómeno cuántico conocido como entrelazamiento.

La teletransportación cuántica funciona creando pares de fotones entrelazados y luego enviando uno de cada par al remitente de los datos y el otro al destinatario. Cuando Alice recibe su fotón entrelazado, lo deja interactuar con un qubit de memoria que contiene los datos que quiere transmitir a Bob. Esta interacción cambia el estado de su fotón y, debido a que está entrelazado con el de Bob, la interacción también cambia instantáneamente el estado de su fotón.

En efecto, esto teletransporta los datos en el qubit de memoria de Alice desde su fotón al de Bob. El siguiente gráfico presenta el proceso con un poco más de detalle:

Investigadores de EE. UU., China y Europa están compitiendo para crear redes de teletransportación capaces de distribuir fotones entrelazados. Pero lograr que se adapten a escala será un enorme desafío científico y de ingeniería. Los muchos obstáculos incluyen encontrar formas confiables de producir muchos fotones enlazados bajo demanda y mantener su entrelazamiento en distancias muy largas, algo que los repetidores cuánticos facilitarían.

Aún así, estos desafíos no han impedido que los investigadores sueñen con un futuro internet cuántico.

¿Qué es un internet cuántico?

Al igual que Internet tradicional, esta sería una red de redes que abarcaría todo el mundo. La gran diferencia es que las redes de comunicaciones subyacentes serían cuánticas.

No va a reemplazar a Internet como lo conocemos hoy. Las fotos de gatos, los videos musicales y una gran cantidad de información comercial no confidencial seguirán moviéndose en forma de bits clásicos. Pero una Internet cuántica atraerá a las organizaciones que necesitan mantener seguros los datos particularmente valiosos. También podría ser una forma ideal de conectar la información que fluye entre las computadoras cuánticas, que cada vez están más disponibles a través de la nube informática.

China está a la vanguardia del impulso hacia una internet cuántica. Lanzó un satélite de comunicaciones cuánticas dedicado llamado Micius hace unos años, y en 2017 el satélite ayudó a organizar la primera videoconferencia intercontinental del mundo, protegida por QKD, entre Beijing y Viena. Una estación terrestre ya conecta el satélite a la red terrestre de Beijing a Shanghai. China planea lanzar más satélites cuánticos, y varias ciudades del país están elaborando planes para redes QKD municipales.

Algunos investigadores han advertido que incluso una Internet completamente cuántica puede volverse vulnerable a nuevos ataques que están basados ​​en la tecnología cuántica. Pero frente a la avalancha de piratería informática que afecta a Internet en la actualidad, las empresas, los gobiernos y las fuerzas armadas seguirán explorando la tentadora perspectiva de una alternativa cuántica más segura.

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