Primera demostración experimental de una máquina Quantum Enigma

Uno de los grandes héroes anónimos de la ciencia del siglo XX fue un matemático e ingeniero de los famosos Laboratorios Bell en Nueva Jersey llamado Claude Shannon. Durante las décadas de 1940, 1950 y 1960, Shannon sentó las bases matemáticas para las comunicaciones y la computación modernas mientras construía algunas de las primeras máquinas inteligentes.

En el camino, también hizo una importante contribución a la teoría de la criptografía con un artículo titulado Teoría de la comunicación de los sistemas secretos, publicado en 1949. En él, demostró que era posible enviar un mensaje perfectamente seguro siempre que la clave de cifrado fuera completamente aleatoria. y usado una sola vez.

El trabajo de Shannon es la prueba matemática de que el bloc de notas de un solo uso es una forma de encriptación verdaderamente irrompible. Una condición crítica es que la clave de cifrado debe ser al menos tan larga como el mensaje mismo.

La primera máquina de enigma cuántico.

El trabajo de Shannon asume que el mensaje se envía utilizando formas convencionales de transmisión. Pero en los últimos 10 años, los físicos cuánticos han demostrado que es posible hacerlo mejor si el mensaje se cifra mediante reglas cuánticas. En particular, han demostrado que en el mundo cuántico se puede enviar un mensaje seguro con una clave significativamente más corta que el mensaje en sí. Al menos en teoría.

Los investigadores han bautizado a este dispositivo como una máquina de enigma cuántico, en honor al dispositivo de cifrado nazi que los descifradores de códigos liderados por Alan Turing descifraron durante la Segunda Guerra Mundial. Pero el dispositivo ha sido completamente teórico.

Hasta ahora. Hoy, Daniel Lum de la Universidad de Rochester en el estado de Nueva York y algunos amigos revelan por primera vez una máquina de enigma cuántico que funciona realmente. Su dispositivo de prueba de principio es capaz de enviar mensajes perfectamente seguros utilizando una clave que es más corta que el mensaje en sí.

Un bloc de notas de una sola vez funciona agregando un número aleatorio a cada dígito en un mensaje. Eso hace que el mensaje sea indistinguible de una aleatoriedad. Solo se puede leer restando los mismos números aleatorios para producir el mensaje original.

El secreto depende de que el transmisor y el receptor sean las únicas personas con la lista de números aleatorios. Y, por supuesto, esta lista debe ser más larga que el mensaje en sí.

La versión cuántica de este proceso funciona codificando información en un objeto cuántico como un fotón y luego alterando el estado del fotón con una operación aleatoria. La información solo se puede recuperar invirtiendo la operación aleatoria. Por lo tanto, siempre que solo el transmisor y el receptor conozcan la secuencia de operaciones aleatorias, la clave cuántica, y que esta clave se use solo una vez, el mensaje es perfectamente seguro.

Sin embargo, los teóricos cuánticos han demostrado que la clave cuántica puede ser exponencialmente más corta que el mensaje mismo.

Ahora Lum y compañía han construido un transmisor y un receptor que explota este mecanismo. Su dispositivo consiste en una pistola de fotones que dispara fotones individuales a través de una especie de máscara llamada modulador de luz espacial que superpone información en el frente de onda del fotón. Si este modulador consta de una matriz de 8 x 8, puede codificar 64 bits de información. Al mismo tiempo, el modulador de luz espacial agrega una señal aleatoria a la información que transmite.

El punto importante es que toda la información codificada en el fotón es aleatorizada por una señal aleatoria. Por lo tanto, la secuencia de señales aleatorias utilizadas para el cifrado puede ser significativamente más corta que el mensaje en sí.

Eso permite un giro importante. Debido a que el mensaje es más corto que la clave, también es posible enviar una nueva clave para codificar el siguiente mensaje. De esta forma, el mensaje y la nueva clave se envían al mismo tiempo y ambos se mantienen en total secreto.

El receptor detecta cada fotón utilizando una matriz sensible a la luz que puede seleccionar el patrón superpuesto al fotón. Luego resta la señal aleatoria dejando el mensaje original.

Lum y compañía han hecho exactamente esto. Demostramos el fenómeno con un experimento de prueba de principio para bloquear 6 bits por fotón mientras usamos menos de 6 bits por fotón de clave secreta, dice el equipo. En otras palabras, estos muchachos han construido la primera máquina de enigma cuántico de prueba de principio.

Ese es un resultado interesante que tiene una aplicación inmediata. Los físicos ya utilizan la mecánica cuántica para enviar mensajes perfectamente seguros utilizando una técnica llamada distribución de clave cuántica. Las técnicas para hacer esto son cada vez más avanzadas. De hecho, ya existen versiones comerciales de este tipo de cifrado cuántico en el mercado.

Lum y compañía dicen que la tecnología y las técnicas desarrolladas para la distribución de claves cuánticas se pueden aplicar de inmediato a la construcción de máquinas de enigma cuántico. Así que no hay motivo por el que la técnica no pueda comercializarse en un futuro próximo. Shannon seguramente estaría impresionado.

Ref: arxiv.org/abs/1605.06556 : Una máquina Quantum Enigma: demostración experimental del bloqueo de datos cuánticos

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