La criptografía Cuántica es un método de cifrado que utiliza las propiedades naturales de la mecánica cuántica para proteger y transmitir datos de un modo que no puedan ser pirateados.
La criptografía es el proceso de encriptar y proteger datos de modo que solo la persona que tenga la clave secreta correcta pueda desencriptarlos. La criptografía cuántica se diferencia de los sistemas criptográficos tradicionales en que se basa en la física, en lugar de las matemáticas, como aspecto clave de su modelo de seguridad.
La criptografía cuántica es un sistema que es completamente seguro y no puede ser vulnerado sin el conocimiento del emisor o del receptor del mensaje. Es decir, es imposible copiar o ver datos codificados en estado cuántico sin alertar al emisor o al receptor. La criptografía cuántica también debería seguir siendo segura frente a quienes utilizan la computación cuántica .
La criptografía cuántica utiliza partículas de luz individuales, o fotones, para transmitir datos a través de cables de fibra óptica. Los fotones representan bits binarios . La seguridad del sistema se basa en la mecánica cuántica. Estas propiedades de seguridad incluyen las siguientes:
- Las partículas pueden existir en más de un lugar o estado a la vez;
- una propiedad cuántica no puede observarse sin cambiarla o perturbarla; y
- No se pueden copiar partículas enteras.
Estas propiedades hacen imposible medir el estado cuántico de cualquier sistema sin perturbarlo.
Los fotones se utilizan en la criptografía cuántica porque ofrecen todas las cualidades necesarias: su comportamiento es bien conocido y son portadores de información en cables de fibra óptica. Uno de los ejemplos más conocidos de criptografía cuántica en la actualidad es la distribución de claves cuánticas ( QKD ), que proporciona un método seguro para el intercambio de claves.
¿Cómo funciona la criptografía cuántica?
En teoría, la criptografía cuántica funciona siguiendo un modelo desarrollado en 1984.
El modelo supone que hay dos personas llamadas Alice y Bob que desean intercambiar un mensaje de forma segura. Alice inicia el mensaje enviándole a Bob una clave. La clave es un flujo de fotones que viajan en una dirección. Cada fotón representa un único bit de datos, ya sea un 0 o un 1. Sin embargo, además de su viaje lineal, estos fotones oscilan o vibran de una manera determinada.
Por lo tanto, antes de que Alice, la emisora, inicie el mensaje, los fotones pasan a través de un polarizador. El polarizador es un filtro que permite que ciertos fotones pasen a través de él con las mismas vibraciones y permite que otros pasen con un estado de vibración modificado. Los estados polarizados pueden ser verticales (1 bit), horizontales (0 bit), 45 grados a la derecha (1 bit) o 45 grados a la izquierda (0 bit). La transmisión tiene una de dos polarizaciones que representan un solo bit, 0 o 1, en cualquiera de los esquemas que utiliza.
Los fotones viajan ahora a través de la fibra óptica desde el polarizador hacia el receptor, Bob. Este proceso utiliza un divisor de haz que lee la polarización de cada fotón. Cuando recibe la clave de fotones, Bob no sabe la polarización correcta de los fotones, por lo que se elige una polarización al azar. Alice ahora compara lo que Bob utilizó para polarizar la clave y luego le informa a Bob qué polarizador utilizó para enviar cada fotón. Bob confirma entonces si utilizó el polarizador correcto. Los fotones leídos con el divisor incorrecto se descartan y la secuencia restante se considera la clave.
Supongamos que hay una espía presente, llamada Eve. Eve intenta escuchar y tiene las mismas herramientas que Bob. Pero Bob tiene la ventaja de hablar con Alice para confirmar qué tipo de polarizador se utilizó para cada fotón; Eve no lo hace. Eve termina reproduciendo la clave final de forma incorrecta.
Alice y Bob también sabrían si Eve los estaba espiando. Al observar Eve el flujo de fotones, cambiarían las posiciones de los fotones que Alice y Bob esperan ver.
Para qué se utiliza la criptografía cuántica y ejemplos
La criptografía cuántica permite a los usuarios comunicarse de forma más segura en comparación con la criptografía tradicional. Una vez que se intercambian las claves entre las partes involucradas, existe poca preocupación de que un actor malintencionado pueda decodificar los datos sin la clave. Si se observa la clave cuando se está construyendo, el resultado esperado cambia, alertando tanto al remitente como al receptor.
Este método de criptografía aún no se ha desarrollado por completo; sin embargo, ha habido implementaciones exitosas del mismo:
- La Universidad de Cambridge y Toshiba Corp. crearon un sistema QKD de alta tasa de bits utilizando el protocolo de criptografía cuántica BB84.
- La Red Cuántica de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, que funcionó entre 2002 y 2007, fue una red QKD de 10 nodos desarrollada por la Universidad de Boston, la Universidad de Harvard e IBM Research.
- Quantum Xchange lanzó la primera red cuántica en EE. UU., con 1.000 kilómetros (km) de cable de fibra óptica.
- Empresas comerciales, como ID Quantique, Toshiba, Quintessence Labs y MagiQ Technologies Inc., también desarrollaron sistemas QKD comerciales.
Además de QKD, algunos de los protocolos y algoritmos cuánticos más notables utilizados en la criptografía cuántica son los siguientes:
- lanzamiento de moneda cuántica;
- criptografía cuántica basada en la posición; y
- criptografía cuántica independiente del dispositivo.
Beneficios de la criptografía cuántica
Los beneficios que trae consigo la criptografía cuántica incluyen los siguientes:
- Proporciona una comunicación segura. En lugar de utilizar números difíciles de descifrar, la criptografía cuántica se basa en las leyes de la física, lo que supone un método de cifrado más sofisticado y seguro.
- Detecta escuchas clandestinas. Si un tercero intenta leer los datos codificados, el estado cuántico cambia y modifica el resultado esperado para los usuarios.
- Ofrece múltiples métodos de seguridad. Se utilizan numerosos protocolos de criptografía cuántica. Algunos, como QKD, por ejemplo, pueden combinarse con métodos de cifrado clásicos para aumentar la seguridad.
Limitaciones de la criptografía cuántica
Las posibles desventajas y limitaciones que conlleva la criptografía cuántica incluyen las siguientes:
- Cambios en la polarización y tasas de error. Los fotones pueden cambiar la polarización en tránsito, lo que potencialmente aumenta las tasas de error.
- Alcance. El alcance máximo de la criptografía cuántica ha sido típicamente de entre 400 y 500 km, con la excepción de Terra Quantum, como se indica a continuación.
- Gastos. La criptografía cuántica normalmente requiere su propia infraestructura, utilizando líneas de fibra óptica y repetidores .
- Número de destinos. No es posible enviar claves a dos o más ubicaciones en un canal cuántico.
Diferencias entre la criptografía tradicional y la criptografía cuántica
La forma clásica de criptografía es el proceso de codificación matemática de datos, en el que sólo una persona con acceso a la clave correcta puede leerlos. La criptografía tradicional tiene dos tipos diferentes de distribución de claves: clave simétrica y clave asimétrica. Los algoritmos de clave simétrica funcionan utilizando una única clave para cifrar y descifrar información, mientras que la criptografía asimétrica utiliza dos claves: una clave pública para cifrar mensajes y una clave privada para descifrarlos. Se ha confiado en los métodos criptográficos tradicionales, ya que a las computadoras clásicas les llevaría un tiempo poco práctico factorizar los grandes números necesarios para formar las claves públicas y privadas.
A diferencia de la criptografía tradicional, que se basa en las matemáticas, la criptografía cuántica se basa en las leyes de la mecánica cuántica. Y, mientras que la criptografía tradicional se basa en el cálculo matemático, la criptografía cuántica es mucho más difícil de descifrar, ya que el acto de observar los fotones involucrados cambia el resultado esperado, lo que hace que tanto el emisor como el receptor sean conscientes de la presencia de un espía. La criptografía cuántica también suele tener una distancia o rango asociado, ya que el proceso requiere cables de fibra óptica y repetidores espaciados para amplificar la señal.
El futuro de la implementación de la criptografía cuántica
Las computadoras cuánticas están en sus primeras etapas y necesitan más desarrollo antes de que un público amplio pueda comenzar a utilizar las comunicaciones cuánticas. Si bien la criptografía cuántica tiene limitaciones, como la imposibilidad de enviar claves a dos lugares a la vez, el campo sigue creciendo de manera constante .
Entre los avances más recientes, se encuentran, por ejemplo, mejoras en el alcance. La empresa suiza de tecnología cuántica Terra Quantum anunció un gran avance en el campo de la criptografía cuántica en términos de alcance. Hasta ahora, la distancia de la criptografía cuántica estaba limitada a un máximo de 400 a 500 km. El desarrollo de Terra Quantum permite transmitir claves de criptografía cuántica a una distancia de más de 40.000 km. En lugar de construir una nueva línea óptica llena de numerosos repetidores, el desarrollo de Terra Quantum permite distribuir claves cuánticas dentro de líneas de fibra óptica estándar que ya se utilizan en redes de telecomunicaciones.
Traducido y Obtenido de TechTarget.