Los ordenadores cuánticos del futuro podrían vulnerar el cifrado actual de datos.
En 2016, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) convocó a criptógrafos de todo el mundo para desarrollar algoritmos resistentes a la computación cuántica que se convertirían en los nuevos estándares de seguridad.
El instituto acaba de anunciar los sistemas criptográficos resistentes a la computación cuántica seleccionados como ganadores por su seguridad y rendimiento.
Se considera que la criptografía resistente a la computación cuántica sustituirá al cifrado moderno y protegerá los datos sensibles del futuro frente a los ataques cuánticos.
El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), un laboratorio del Gobierno de Estados Unidos que publica estándares para que los organismos gubernamentales utilicen la criptografía de forma segura, acaba de anunciar los ganadores de un concurso de seis años para crear algoritmos resistentes a la computación cuántica.
¿Por qué es importante? En los historiales médicos, financieros y de salud, el cifrado y la autenticación son cruciales para proteger los datos sensibles. Hoy en día, la protección es bastante sólida, pero los futuros ordenadores cuánticos podrían cambiar eso. Se ha dicho una y otra vez que esta tecnología emergente y potente, basada en las complejidades cuánticas de la naturaleza, podría vulnerar la criptografía y causar estragos en nuestra vida digital. Aun así, es poco probable que eso ocurra.
¿Cómo podemos contar con criptografía resistente a la computación cuántica?
Para evitar que esto ocurra, los investigadores llevan tiempo trabajando en una tecnología llamada criptografía resistente a la computación cuántica. Estas técnicas de vanguardia se basan en enfoques matemáticos distintos de los que se adoptan ampliamente hoy en día. Por ejemplo, técnicas fundamentadas en las matemáticas de retículos y de isogenias.
Con los sistemas criptográficos resistentes a la computación cuántica ganadores que el NIST acaba de anunciar, el mundo pronto podría estar a salvo de cualquier amenaza potencial de los ordenadores cuánticos del futuro.
Científicos que trabajan en IBM participaron en muchos de los algoritmos ganadores. Uno de los esquemas ganadores, desarrollado por investigadores de IBM y sus socios, es el esquema de cifrado de clave pública CRYSTALS-Kyber. Los otros son los esquemas de firma digital CRYSTALS-Dilithium, Falcon y SPHINCS+, desarrollados también por científicos de IBM y sus colaboradores.
Además, un quinto esquema creado por IBM, el llamado esquema de cifrado SIKE, se ha reservado para estudiarlo más a fondo y, posiblemente, estandarizarlo más adelante. Una vez adoptados, los nuevos esquemas deberían proteger los sistemas informáticos frente a los ataques cuánticos. Las organizaciones de todo el mundo deberían plantearse migrar a ellos cuanto antes.
El NIST es un laboratorio del Gobierno de Estados Unidos que publica estándares para que los organismos gubernamentales utilicen la criptografía de forma segura. Estos estándares, en los que confían la mayoría de las organizaciones públicas y privadas del mundo, detallan cómo utilizar distintos algoritmos criptográficos para que el ordenador de un usuario se comunique de forma segura con el ordenador del destinatario previsto. Son la base de las comunicaciones globales seguras de hoy, ya sea para hacer una compra en Internet o transferir datos sensibles.
Algoritmos resistentes a la computación cuántica para nuevos estándares de seguridad
Pero eso solo se aplica a los ordenadores clásicos. Los ordenadores cuánticos son distintos.
Los ordenadores cuánticos aprovechan las propiedades de la mecánica cuántica y prometen resolver en el futuro problemas específicos que superan la capacidad de las máquinas clásicas. Y aunque un ordenador cuántico podría ayudarnos a crear nuevos materiales con mucha más eficiencia que hoy, a comprender mejor las fluctuaciones de los mercados financieros y mucho más, también podría vulnerar algunos de los algoritmos criptográficos estandarizados actuales del NIST y dejar al descubierto los datos sensibles que se cifraron con ellos.
Por eso necesitamos adoptar nuevos estándares para anticiparnos a este problema.
Por ejemplo, en IBM la investigación sobre este nuevo tipo de cifrado resistente a la computación cuántica comenzó hacia 2015. Vadim Lyubashevsky, uno de los principales criptógrafos del laboratorio de la empresa en Zúrich, acababa de trasladarse de Francia a Suiza y, tras obtener financiación de la Fundación Nacional Suiza, puso en marcha la investigación. No trabajó solo: la financiación le permitió contratar a varias personas clave, entre ellas Gregor Seiler, entonces estudiante de doctorado en la ETH, quien más tarde fue fundamental en el desarrollo de criptosistemas basados en retículos.
En 2016, el NIST hizo que la industria y el mundo académico se interesaran por la criptografía al lanzar un concurso internacional para desarrollar nuevos algoritmos resistentes a la computación cuántica. Varias empresas de todo el mundo se sumaron a la iniciativa, y numerosas figuras destacadas de todo el espectro de la criptografía, desde teóricos hasta profesionales, trabajaron en IBM o junto con IBM para contribuir a los nuevos esquemas del NIST anunciados recientemente.
Introducción a la criptografía resistente a la computación cuántica
Hoy en día existen dos tipos de criptografía: simétrica y asimétrica.
La criptografía asimétrica, que utilizan habitualmente los navegadores web seguros, los chats, las VPN y otros medios para nuestras comunicaciones cotidianas, podría ser vulnerada por un ordenador cuántico. Se basa en una clave privada y otra pública vinculadas matemáticamente; la clave pública se utiliza para cifrar o verificar. La clave privada está destinada únicamente a una parte concreta, que la utiliza para descifrar o firmar los datos.
Muchos algoritmos de criptografía asimétrica se basan en un problema matemático llamado factorización en números primos. Cuanto más larga es la clave —es decir, cuantos más bits contiene—, más difícil es vulnerar el cifrado. Aunque los ordenadores actuales no pueden vulnerar estos algoritmos, un ordenador cuántico sí podría hacerlo gracias al algoritmo de Shor, desarrollado por Peter Shor en 1994. Esto se debe a que factorizar números, por larga que sea la secuencia, es pan comido para un ordenador cuántico con millones de cúbits.
Hoy en día, los protocolos criptográficos como SSL, Transport Layer Security y HTTPS se basan en las llamadas «primitivas» criptográficas, es decir, algoritmos criptográficos de bajo nivel. Entre ellas se incluyen las firmas digitales, los esquemas de autenticación y los esquemas de cifrado. Sin embargo, estos protocolos dejan de ser útiles si las primitivas criptográficas se ven comprometidas.
Aquí es donde la criptografía de retículos puede ayudar. Se basa en una rama de las matemáticas llamada «geometría de números», en la que los datos se ocultan dentro de retículos, estructuras algebraicas complejas. Aunque es fácil crear un punto en el espacio que esté cerca del retículo, la criptografía basada en retículos es difícil de vulnerar porque resulta complicado recorrer el camino inverso. Encontrar en el retículo el punto más cercano a un punto del espacio requiere un tiempo exponencial respecto a la dimensión del retículo.
Este problema se estudia desde la década de 1970, y un algoritmo eficiente para resolverlo tendría muchas aplicaciones en numerosos ámbitos importantes. También ha recibido mucha atención de la comunidad dedicada a los algoritmos cuánticos.
Proteger el futuro con criptografía resistente a la computación cuántica
El NIST ha anunciado que estandarizará los criptosistemas ganadores antes de 2024. Esto significa que el Gobierno de Estados Unidos empezará a adoptar estos esquemas y exigirá también que los utilicen sus proveedores.
Probablemente no habrá un único estándar. Como hemos visto con la criptografía clásica, se utilizan muchos estándares distintos por motivos científicos o políticos. Con el tiempo, si un estándar resulta claramente mejor, la gente suele decantarse por él para los nuevos sistemas.
La criptografía resistente a la computación cuántica aún está en una fase muy temprana. Las necesidades de quienes utilizan criptografía podrían ser distintas dentro de una década. Tal vez valoren más algunas características que hoy reciben menos atención y quieran utilizar esquemas óptimos para esos fines concretos. Dicho esto, cuesta imaginar algo más rápido que la criptografía de retículos, que muchos expertos prevén que se utilizará en distintos campos en el futuro.
Es crucial que las organizaciones de todo el mundo comprendan los riesgos de los ordenadores cuánticos y se den cuenta de que ya empiezan a estar disponibles soluciones gracias a la selección de estándares resistentes a la computación cuántica del NIST. Deberían empezar a prepararse hoy mismo.
