Décadas de investigación en seguridad de datos nos han proporcionado herramientas estandarizadas y muy fiables para tareas comunes como las firmas digitales y el cifrado. Pero los hackers trabajan constantemente para vulnerar las innovaciones en seguridad de datos. Las tecnologías actuales de tarjetas de crédito/débito ponen en riesgo el dinero personal porque son vulnerables al fraude.
La seguridad física —que se ocupa de la lucha contra la falsificación y la autenticación de objetos reales— también forma parte del problema. Los buenos y los malos están atrapados en una carrera armamentística interminable: una parte desarrolla objetos y estructuras difíciles de copiar; la otra intenta copiarlos y, a menudo, lo consigue.
Pero creemos que nuestro nuevo invento tiene el potencial de dejar atrás a los hackers. Esta innovadora medida de seguridad utiliza las propiedades cuánticas de la luz para lograr la autenticación de objetos a prueba de fraude.
PUF: luchar a cara descubierta
La carrera armamentística se libra en secreto; revelar tu tecnología ayuda al enemigo. Por consiguiente, nadie sabe cuán segura es realmente una tecnología.
Sorprendentemente, un avance reciente llamado funciones físicas no clonables (PUF, por sus siglas en inglés) ha hecho posible actuar con total transparencia. Una PUF es un material que puede sondearse de muchas maneras y que produce una respuesta compleja que depende con gran precisión del desafío y de la estructura interna de la PUF.
Los ejemplos más conocidos son las PUF ópticas. La PUF es un material —como pintura blanca con millones de nanopartículas— que dispersa intensamente cualquier luz que se le dirija. La luz rebota dentro de la pintura y crea un patrón único que puede utilizarse para la autenticación. Las PUF ópticas podrían usarse en cualquier objeto, pero serían especialmente útiles en tarjetas de crédito/débito.
Imagina que presentas tu tarjeta en un cajero automático. El cajero dirige un rayo láser hacia la pintura blanca de la tarjeta. El rayo tiene una «forma» intrincada e impredecible (ángulo, enfoque, patrón de píxeles), generada aleatoriamente por el cajero, que sirve de desafío. Dentro de la PUF, la luz se dispersa muchas veces y provoca numerosas interferencias.
La luz que sale es la respuesta: un patrón complejo de puntos oscuros y brillantes, conocido como moteado, que el cajero puede registrar con una cámara. El cajero tiene acceso a la base de datos de registro de PUF y, por tanto, conoce las propiedades de la PUF de tu tarjeta cuando la insertas. El cajero calcula cómo debería ser el patrón de moteado reflejado. Si la semejanza es suficiente, considera auténtica la tarjeta.
El moteado es sensible a cambios minúsculos en el desafío y en la estructura de la PUF. Debido a la complejidad de la física del moteado, las PUF son prácticamente imposibles de clonar.
El proceso de fabricación de las PUF no tiene que mantenerse en secreto, precisamente porque no se pueden clonar: aunque se conozca el proceso de fabricación, la aleatoriedad incontrolable del proceso sigue impidiendo clonarlas. Se podrían organizar concursos abiertos y establecer normas sólidas de seguridad física, similares a las de la criptografía.
La emulación digital sigue siendo un problema
Es concebible que una PUF se pueda clonar exactamente o emular físicamente con precisión, aunque sería muy, muy difícil. Con las PUF ópticas, los buenos están firmemente del lado ganador de la carrera armamentística.
Un riesgo mayor para el protocolo de autenticación es la emulación digital. Un ataque de emulación digital contra una PUF concreta constaría de tres pasos:
Primero, un hacker mide el desafío. En el ejemplo del cajero automático, se trata del rayo láser.
Segundo, el hacker obtiene la respuesta a ese desafío. Puede hacerlo consultando una tabla compilada previamente o ejecutando un software de emulación. (Recuerda que el atacante conoce todo sobre cada PUF porque esta información es pública).
Tercero, el hacker emite luz láser con el patrón de moteado de «respuesta» que ha determinado que es el correcto.
Nos interesa la autenticación «remota», en la que el verificador no tiene control directo sobre la PUF y el atacante lo sabe todo sobre ella. Este escenario suele exigir que el verificador despliegue en el terreno dispositivos de hardware fuertemente protegidos (como cajeros automáticos), cuya tarea es leer las PUF sin ser engañados. Pero esto abre un segundo tipo de carrera armamentística: diseñar electrónica segura frente a la piratería y la suplantación de hardware. En este tipo de juego, los «buenos» suelen encontrarse en el bando perdedor.
Solución: lectura cuántica
Hace unos años, me di cuenta de que usar la física cuántica en la lectura de las PUF eliminaría por completo la amenaza de la emulación digital.
El desafío debe ser un estado cuántico impredecible —es decir, un fotón individual— que interactúa con la PUF y regresa como un estado cuántico modificado. En lugar de un patrón de moteado «clásico» como el anterior, el verificador busca un único fotón en un estado cuántico particular y complejo.
Debido a las leyes de la física cuántica, un atacante no puede determinar con precisión cuál es el desafío. Si el hacker intenta observar el fotón, hace colapsar el estado cuántico: cualquier intento de medición destruye la mayor parte de la información. Y el teorema de no clonación establece que es imposible crear una copia idéntica de un estado cuántico.
El atacante no tiene suerte. Al desconocer el desafío, no sabe dónde buscar la respuesta en su tabla de consulta. El verificador, por su parte, sabe exactamente cuál es la respuesta esperada (a diferencia del atacante, sí conoce el desafío) y puede determinar si el fotón que regresa está en el estado correcto.
Aunque la seguridad del concepto de lectura cuántica se ha demostrado rigurosamente, no estaba claro de inmediato cómo llevarlo a la práctica.
Manipulación de la luz
Lo curioso de un fotón es que es a la vez partícula y onda. Como es una partícula, hay que detectarlo como un único bloque de energía. Y, al ser una onda, se propaga e interfiere consigo misma, formando una respuesta de patrón de moteado. La luz cuántica es como un fantasma de aspecto complejo. Pero ¿cómo se verifica un patrón de moteado de un solo fotón?
En 2012, unos investigadores de la Universidad de Twente se dieron cuenta de que tenían la respuesta en sus manos. El ingrediente mágico es un modulador espacial de luz (SLM, por sus siglas en inglés), un dispositivo programable que remodela el patrón de moteado. En sus experimentos, programaron un SLM para que la respuesta correcta de una PUF óptica se concentrara y pasara por un pequeño orificio, donde un detector de fotones detectaba la presencia del fotón. En cambio, una respuesta incorrecta se transforma en un patrón de moteado aleatorio que no pasa por el orificio.
El método recibió el nombre de autenticación cuántica segura (QSA, por sus siglas en inglés).
Cuántica, pero no difícil
La QSA no requiere secretos, por lo que no hay que gastar dinero en protegerlos. Puede implementarse con tecnología relativamente sencilla que ya está disponible. La PUF puede ser tan simple como una capa de pintura.
Resulta que el desafío no tiene que ser un solo fotón; basta con un pulso láser débil, siempre que el número de fotones del pulso sea suficientemente pequeño. Los diodos láser, como los que se encuentran en los reproductores de CD, están ampliamente disponibles y son baratos. Los SLM ya están presentes en los proyectores modernos. Un fotodiodo sensible o un sensor de imagen pueden servir de detector de fotones.
Con todas estas ventajas, la QSA tiene el potencial de mejorar enormemente la seguridad de las tarjetas y otras credenciales físicas.
Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.
La publicación no implica el respaldo de las opiniones por parte del Foro Económico Mundial.
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Autor: Boris Škorić es profesor adjunto en la Universidad Tecnológica de Eindhoven
Imagen: Un cliente realiza una transacción en un cajero automático. REUTERS/Laszlo Balogh
