A medida que los hackers se vuelven más sofisticados en sus actividades delictivas en línea, necesitamos recurrir a nuevas tecnologías para proteger mejor nuestros sistemas y, potencialmente, hacerlos imposibles de hackear.
Para algunos tipos de hackeo, ya conocemos la respuesta definitiva: la física cuántica ofrece una forma de compartir información con seguridad absoluta, garantizada por las leyes de la naturaleza.
La idea básica de la comunicación cuántica es simple y elegante. Pero las ideas simples a menudo chocan con las dificultades prácticas del mundo real.
Afortunadamente, la investigación en física cuántica está proporcionando herramientas aún más sofisticadas que permitirán completar la tarea. La tecnología todavía no está madura, pero está en camino.
La clave del problema
Este es el escenario: dos partes, llamémoslas Alice y Bob, quieren enviar mensajes seguros a través de una red, quizá datos de una tarjeta de crédito para una compra en línea.
Supongamos que cada uno tiene una lista idéntica de números aleatorios que mantiene en privado. Pueden usar esa lista como clave secreta para cifrar y enviar mensajes imposibles de descifrar. Pero ¿cómo crean la clave compartida en primer lugar?
Con métodos convencionales que no utilizan la física cuántica, Alice envía a Bob una clave compuesta por bits ordinarios (ceros y unos) de información. Sin embargo, es posible que intercepten y copien la clave y luego la envíen a su destino sin que Alice ni Bob lo sepan. Esto compromete la seguridad, porque si la clave deja de ser privada, otros podrían usarla para descifrar el mensaje que cifra.
Las técnicas matemáticas ingeniosas pueden dificultar que Eve (una ciberdelincuente que espía las comunicaciones) utilice una clave interceptada. Pero, con tiempo suficiente o con futuras computadoras cuánticas, el código aún puede descifrarse.
Una clave cuántica segura
Aquí es donde entra en juego la física cuántica. Empecemos por la versión sencilla. Alice envía a Bob la clave utilizando bits cuánticos (qubits) en vez de bits normales. Para ello, podría usar fotones, que son partículas individuales de luz.
A diferencia de los bits de computación normales, los qubits de fotones pueden tener tanto el valor de bit 0 como el de 1 al mismo tiempo. Es como el gato de Schrödinger, que está muerto y vivo a la vez en el famoso experimento mental. Los qubits de fotones pueden prepararse en los estados ordinarios 0 o 1, o en estos extraños estados de superposición , y la elección aleatoria entre ellos genera la clave que Alice envía.
Los fotones obedecen al principio de incertidumbre de Heisenberg , de modo que, si Eve los mide, altera la información que transportan.
Esta alteración revela el hackeo a Alice y Bob, quienes, por tanto, descartan la clave en lugar de usarla para cifrar un mensaje. Si no hay ningún hackeo, pueden usar la clave privada para cifrar un mensaje con seguridad absoluta.
Esta versión sencilla de la distribución cuántica de claves (QKD) protege el canal —por ejemplo, la fibra óptica— contra las intrusiones.
Pero hay otros dos posibles lugares donde hackear: el dispositivo de Alice que envía fotones y el dispositivo de Bob que los mide. El protocolo sencillo presupone que ambos son perfectamente seguros.
Pero ¿cómo pueden Alice y Bob estar seguros de que el proveedor de sus dispositivos no está aliado con Eve? Los ciberdelincuentes son muy hábiles para crear redes sofisticadas; entonces, ¿cómo saber en quién confiar? ¿Qué puede resolver este nuevo problema y otras variantes igualmente perniciosas?
¡Qué enredada maraña tejemos!
La respuesta es el entrelazamiento cuántico. Dos fotones entrelazados tienen estados vinculados cuánticamente: medir la información almacenada en uno nos dice algo sobre la información del otro.
Este efecto se mantiene incluso si los dos fotones están muy separados, aunque se encuentren en lados opuestos de la Tierra.
Resulta que medir el primer fotón siempre produce un resultado aleatorio; en concreto, un bit aleatorio, 0 o 1. ¿Parece útil? Debería: si Alice y Bob realizan la misma medición en fotones distintos de un par entrelazado, obtendrán un número aleatorio, pero compartido. Al repetir este proceso con muchos pares entrelazados, pueden generar una clave secreta.
Veamos el siguiente ejemplo. Alice crea un par de fotones entrelazados y envía uno a Bob. Si el resultado aleatorio de la medición de Alice es 0, la medición de Bob también dará 0.
En un segundo par entrelazado, producido y distribuido de la misma manera, Alice podría obtener 1 y, por tanto, Bob también obtendría 1. Así, continúan formando una larga secuencia de bits aleatorios compartidos, que constituirá su clave secreta. Cualquier intento de Eve por medir uno de los fotones romperá el entrelazamiento, un efecto que Alice y Bob pueden detectar.
Así que, si Alice y Bob pueden verificar que comparten entrelazamiento, queda demostrado que el canal es confiable.
Además, pueden usar sus dispositivos no confiables para comprobar si esos mismos dispositivos son realmente confiables.
¿Cómo? Eso parece como preguntarle a un estafador sospechoso si está mintiendo. ¡No puede funcionar! Pero sí funciona. La conexión de información que contiene el entrelazamiento es simplemente demasiado fuerte para que unos dispositivos hackeados puedan imitarla.
La seguridad cuántica en el mundo real
Los investigadores han desarrollado varias técnicas basadas en el entrelazamiento para establecer comunicaciones seguras con dispositivos no confiables.
En un experimento reciente que realicé con mi equipo, usamos un método de prueba del entrelazamiento llamado dirección cuántica. La dirección renuncia a la seguridad del dispositivo de Bob a cambio de robustez frente a las imperfecciones del mundo real (en las fibras ópticas reales e imperfectas, la información se mezcla un poco).
Pero recuperamos la seguridad del dispositivo de medición de Bob programándolo con qubits de fotones adicionales. Debido al principio de incertidumbre de Heisenberg, un dispositivo de medición hackeado no puede extraer la información codificada en estos fotones de programación adicionales, es decir, el conocimiento necesario para hacer trampa en la prueba de dirección.
Este es el extraño mundo de la física cuántica en su máxima expresión. Aunque el dispositivo de Bob ejecuta las instrucciones del programa, ¡no puede conocerlas por completo!
En esencia, nuestro método de dirección debería ser más sencillo de implementar que algunos de los métodos alternativos basados en el entrelazamiento y más robusto frente a las imperfecciones del mundo real que los demás.
Próximamente
¿Qué sigue? Ya existen prototipos comerciales de sistemas QKD sencillos y se han utilizado para proteger canales en tareas del mundo real como la transferencia de información entre sucursales bancarias.
Pero también se han hackeado dispositivos comerciales existentes atacando los dispositivos de Alice o Bob, porque se diseñaron para proteger únicamente el canal. Como hemos visto, ya se han demostrado sistemas basados en el entrelazamiento para proteger los dispositivos terminales. Ojalá alcancen un nivel de madurez comercial en los próximos cinco años, aproximadamente.
Para implementar esta tecnología de seguridad de las comunicaciones cuánticas, los usuarios necesitarán enlaces cuánticos para compartir el entrelazamiento, además de las redes informáticas existentes. Un enlace cuántico podría ser tan sencillo como una fibra óptica que conecte dos dispositivos QKD, uno para Alice y otro para Bob, enchufados a su vez a las computadoras que se comunican.
Es probable que los enlaces más largos o complejos requieran modificar las redes de fibra óptica existentes con nuevos dispositivos para amplificar señales cuánticas (llamados repetidores cuánticos), que están en desarrollo. Pero también es posible imaginar transferencias de datos móviles protegidas mediante QKD, por ejemplo, usando un teléfono inteligente habilitado para tecnología cuántica para interactuar con un cajero automático.
La tecnología QKD será aplicable siempre que lo que se quiera proteger sea la información transmitida. Los datos bancarios o financieros, los datos personales, el correo electrónico y los historiales médicos son solo algunos ejemplos de información confidencial que conviene enviar de forma segura a través de una línea de datos externa.
Pero esta tecnología no se aplica directamente a la tarea de proteger una computadora contra un ataque directo de hackeo. No puede proteger contra ataques en los que alguien adivina una contraseña o utiliza un virus para acceder a la cuenta de un usuario.
Podría imaginarse que los mismos principios de la física cuántica se adaptaran para abordar esos problemas y, de hecho, esta es una cuestión de investigación aún abierta.
Así pues, aunque las comunicaciones cuánticas no resolverán todo el ciberdelito, es bueno saber que, para algunos tipos críticos de transferencia de información, los hackers serán derrotados por las propias leyes de la naturaleza. Y ese es un mensaje que puedes compartir —con tus amigos y sin correr riesgos—.
Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lee el artículo original. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: Geoff Pryde es físico cuántico y trabaja en información cuántica, computación, medición, control y óptica.
Imagen: Una ilustración muestra la proyección de código binario sobre un hombre que sostiene una computadora portátil. REUTERS/Kacper Pempel.
