Qué es la comunicación cuántica?

Los investigadores y las empresas están creando redes de comunicación ultraseguras que podrían formar la base de una Internet cuántica.  Así es como funciona.

Apenas pasa una semana sin informes de algún nuevo mega pirateo que haya expuesto enormes cantidades de información confidencial, desde los detalles de la tarjeta de crédito y los registros médicos de las personas hasta la valiosa propiedad intelectual de las empresas.  La amenaza que representan los ataques cibernéticos está obligando a los gobiernos, los militares y las empresas a explorar formas más seguras de transmitir información.

Hoy en día, los datos confidenciales generalmente se cifran y luego se envían a través de cables de fibra óptica y otros canales junto con las “claves” digitales necesarias para decodificar la información.  Los datos y las claves se envían como bits clásicos: un flujo de pulsos eléctricos u ópticos que representan 1 y 0.  Y eso los hace vulnerables.  Los hackers inteligentes pueden leer y copiar bits en tránsito sin dejar rastro.

La comunicación cuántica aprovecha las leyes de la física cuántica para proteger los datos.  Estas leyes permiten que las partículas, típicamente fotones de luz para transmitir datos a través de cables ópticos, adopten un estado de superposición, lo que significa que pueden representar múltiples combinaciones de 1 y 0 simultáneamente.  Las partículas se conocen como bits cuánticos o qubits.

La belleza de los qubits desde una perspectiva de ciberseguridad es que si un pirata informático intenta observarlos en tránsito, su estado cuántico súper frágil “colapsa” a 1 o 0.  Esto significa que un pirata informático no puede alterar los qubits sin dejar un signo revelador de la actividad.

Algunas compañías han aprovechado esta propiedad para crear redes para transmitir datos altamente confidenciales basados ​​en un proceso llamado distribución cuántica de claves, o QKD.  En teoría, al menos, estas redes son ultra seguras.

Qué es la Distribución Cuántica de Claves?

QKD (en inglés y DCC en castellano) implica el envío de datos cifrados como bits clásicos a través de redes, mientras que las claves para descifrar la información se codifican y transmiten en un estado cuántico utilizando qubits.

Se han desarrollado varios enfoques o protocolos para implementar QKD.  Una ampliamente utilizada conocida como BB84 funciona así.  Imagina a dos personas, Alice y Bob.  Alice quiere enviar datos de forma segura a Bob.  Para hacerlo, crea una clave de cifrado en forma de qubits cuyos estados de polarización representan los valores de bits individuales de la clave.

Los qubits se pueden enviar a Bob a través de un cable de fibra óptica.  Al comparar las mediciones del estado de una fracción de estos qubits, un proceso conocido como “selección de claves”, Alice y Bob pueden establecer que tienen la misma clave.

A medida que los qubits viajan a su destino, el frágil estado cuántico de algunos de ellos colapsará debido a la decoherencia.  Para dar cuenta de esto, Alice y Bob luego ejecutan un proceso conocido como “destilación de claves”, que consiste en calcular si la tasa de error es lo suficientemente alta como para sugerir que un hacker ha intentado interceptar la clave.

Si es así, abandonan la clave sospechosa y siguen generando nuevas hasta que confían en compartir una clave segura.  Alice puede usar la suya para encriptar datos y enviarlos en bits clásicos a Bob, quien usa su clave para decodificar la información.

Ya estamos empezando a ver surgir más redes QKD.  El más largo está en China, que cuenta con un enlace terrestre de 2.032 kilómetros (1,263 millas) entre Beijing y Shanghai.  Los bancos y otras compañías financieras ya lo están utilizando para transmitir datos.  En los Estados Unidos, una startup llamada Quantum Xchange ha llegado a un acuerdo que le da acceso a 500 millas (805 kilómetros) de cable de fibra óptica a lo largo de la costa este para crear una red QKD.  El tramo inicial unirá Manhattan con Nueva Jersey, donde muchos bancos tienen grandes centros de datos.

Aunque QKD es relativamente seguro, sería aún más seguro si pudiera contar con repetidores cuánticos.

Qué es un repetidor cuántico?

Los materiales en los cables pueden absorber fotones, lo que significa que normalmente pueden viajar por no más de unas pocas decenas de kilómetros.  En una red clásica, los repetidores en varios puntos a lo largo de un cable se utilizan para amplificar la señal para compensar esto.

Las redes QKD han presentado una solución similar, creando “nodos de confianza” en varios puntos.  La red de Beijing a Shanghai tiene 32 de ellos, por ejemplo.  En estas estaciones, las claves cuánticas se descifran en bits y luego se vuelven a cifrar en un nuevo estado cuántico para su viaje al siguiente nodo.  Pero esto significa que no se puede confiar realmente en los nodos confiables: un pirata informático que violó la seguridad de los nodos podría copiar los bits sin ser detectados y, por lo tanto, adquirir una clave, al igual que una empresa o un gobierno que ejecuta los nodos.

Idealmente, necesitamos repetidores cuánticos o estaciones de ruta con procesadores cuánticos en ellos que permitan que las claves de cifrado permanezcan en forma cuántica a medida que se amplifican y se envían a largas distancias.  Los investigadores han demostrado que, en principio, es posible construir tales repetidores, pero aún no han podido producir un prototipo funcional.

Hay otro problema con QKD.  Los datos subyacentes todavía se transmiten como bits cifrados a través de redes convencionales.  Esto significa que un pirata informático que violó las defensas de una red podría copiar los bits sin ser detectados, y luego usar computadoras poderosas para tratar de descifrar la clave utilizada para cifrarlos.

Los algoritmos de cifrado más potentes son bastante robustos, pero el riesgo es lo suficientemente grande como para alentar a algunos investigadores a trabajar en un enfoque alternativo conocido como teletransportación cuántica.

Qué es la teletransportación cuántica?

Esto puede sonar a ciencia ficción, pero es un método real que implica transmitir datos totalmente en forma cuántica.  El enfoque se basa en un fenómeno cuántico conocido como enredo.

La teletransportación cuántica funciona creando pares de fotones enredados y luego enviando uno de cada par al remitente de los datos y el otro a un destinatario.  Cuando Alice recibe su fotón enredado, lo deja interactuar con un “qubit de memoria” que contiene los datos que quiere transmitir a Bob.  Esta interacción cambia el estado de su fotón, y debido a que está enredado con el de Bob, la interacción también cambia instantáneamente el estado de su fotón.

En efecto, esto “teletransporta” los datos en la memoria qubit de Alice desde su fotón hasta el de Bob. 

Investigadores en los Estados Unidos, China y Europa están compitiendo para crear redes de teletransportación capaces de distribuir fotones enredados.  Pero llevarlos a escala será un gran desafío científico y de ingeniería.  Los muchos obstáculos incluyen encontrar formas confiables de producir muchos fotones vinculados a pedido y mantener su enredado a distancias muy largas, algo que los repetidores cuánticos facilitarían.

Aún así, estos desafíos no han impedido que los investigadores sueñen con un futuro internet cuántico.

Qué es un internet cuántico?

Al igual que Internet tradicional, esta sería una red de redes que abarca todo el mundo.  La gran diferencia es que las redes de comunicaciones subyacentes serían cuánticas.

No va a reemplazar a Internet como lo conocemos hoy.  Las fotos de gatos, los videos musicales y una gran cantidad de información comercial no confidencial se moverán en forma de fragmentos clásicos.  Pero una Internet cuántica atraerá a las organizaciones que necesitan mantener seguros los datos particularmente valiosos.  También podría ser una forma ideal de conectar la información que fluye entre las computadoras cuánticas, que están cada vez más disponibles a través de la nube informática.

China está a la vanguardia del impulso hacia una Internet cuántica.  Lanzó un satélite de comunicaciones cuánticas dedicado llamado Micius hace unos años, y en 2017 el satélite ayudó a organizar la primera videoconferencia intercontinental, asegurada por QKD, entre Beijing y Viena.  Una estación terrestre ya conecta el satélite con la red terrestre de Beijing a Shanghai.  China planea lanzar más satélites cuánticos, y varias ciudades del país están preparando planes para redes QKD municipales.

Algunos investigadores han advertido que incluso un Internet totalmente cuántico puede volverse vulnerable a nuevos ataques que están basados ​​en ellos.  Pero ante el ataque de piratería que afecta a Internet, las empresas, los gobiernos y los militares de hoy en día seguirán explorando la tentadora perspectiva de una alternativa cuántica más segura.