La criptografía cuántica (también conocida como encriptación cuántica) se refiere a varios métodos de ciberseguridad para cifrar y transmitir datos seguros basados en las leyes naturales e inmutables de la mecánica cuántica.
Aunque aún se encuentra en sus primeras etapas, la encriptación cuántica tiene el potencial de ser mucho más segura que los tipos anteriores de algoritmos criptográficos y es incluso teóricamente inhackeable.
A diferencia de la criptografía tradicional, que se basa en las matemáticas, la criptografía cuántica se basa en las leyes de la física. Específicamente, la criptografía cuántica se apoya en los principios únicos de la mecánica cuántica:
- Las partículas son inherentemente inciertas: A nivel cuántico, las partículas pueden existir simultáneamente en más de un lugar o en más de un estado al mismo tiempo. Y es imposible predecir su estado cuántico exacto.
- Los fotones pueden ser medidos aleatoriamente en posiciones binarias: Los fotones, las partículas más pequeñas de la luz, pueden configurarse para tener polaridades específicas, o giros, que pueden servir como contrapartida binaria para los unos y ceros de los sistemas computacionales clásicos.
- Un sistema cuántico no puede ser medido sin ser alterado: Según las leyes de la física cuántica, el acto básico de medir o incluso observar un sistema cuántico siempre tendrá un efecto medible en ese sistema.
- Las partículas pueden clonarse parcialmente, pero no totalmente: Mientras que las propiedades de algunas partículas pueden clonarse, se cree que un clon del 100% es imposible.
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¿Por qué es importante la criptografía cuántica?
Hasta la fecha, la encriptación de datos tradicional ha sido generalmente suficiente para mantener comunicaciones seguras en la mayoría de los contextos de ciberseguridad. Sin embargo, el surgimiento de la computación cuántica plantea una amenaza existencial incluso para los algoritmos criptográficos tradicionales más seguros.
Al igual que la criptografía cuántica, la computación cuántica es una tecnología emergente que también aprovecha las leyes de la mecánica cuántica. Comparadas con nuestras computadoras clásicas más rápidas y de vanguardia, las computadoras cuánticas tienen el potencial de resolver problemas complejos órdenes de magnitud más rápido.
Incluso las supercomputadoras más poderosas de la tierra necesitarían miles de años para romper matemáticamente algoritmos de encriptación modernos como el Estándar de Encriptación Avanzada (AES) o RSA. Según el Algoritmo de Shor, factorizar un número grande en una computadora clásica requeriría tanto poder computacional que le tomaría a un hacker muchas vidas antes de acercarse siquiera. Pero una computadora cuántica completamente funcional -si alguna vez se perfecciona- podría potencialmente encontrar la solución en solo unos minutos.
Por esta razón, los casos de uso para la criptografía cuántica son tan infinitos como casos de uso para cualquier forma de criptografía. En el caso de que cualquier cosa, desde información corporativa hasta secretos de Estado, deba mantenerse segura, cuando la computación cuántica haga obsoletos los algoritmos criptográficos existentes. La criptografía cuántica puede ser nuestro único recurso para asegurar datos privados.
Tipos de criptografía cuántica
Distribución de claves cuánticas (QKD)
Teorizada originalmente en 1984 por Charles H. Bennett (del Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM) y Gilles Brassard, la distribución de claves cuánticas (QKD) es el tipo más común de criptografía cuántica. Los sistemas QKD no se usan normalmente para cifrar datos seguros en sí mismos, sino para realizar un intercambio seguro de claves entre dos partes colaborando para construir una clave privada compartida, que a su vez puede ser utilizada en métodos tradicionales de encriptación de clave simétrica.
Los sistemas QKD funcionan enviando partículas individuales de luz de fotón a través de un cable de fibra óptica. Esta corriente de fotones viaja en una sola dirección y cada uno representa un bit, o qubit, de datos—ya sea cero o uno. Filtros polarizados en el lado del emisor cambian la orientación física de cada fotón a una posición específica. Y el receptor utiliza dos divisores de haz disponibles para leer la posición de cada fotón al recibirlos. El emisor y el receptor comparan las posiciones de fotones enviadas con las posiciones decodificadas, y el conjunto que coincide se convierte en la clave.
Para entender mejor QKD, imagina a dos personas, Alice y Bob, que necesitan establecer una conexión segura. Pueden usar QKD para crear una clave criptográfica segura enviando fotones polarizados a través de un cable de fibra óptica. El cable no necesita estar asegurado porque cada fotón tendrá su propio estado cuántico aleatorio. Si alguien, llamémosla Eve, está escuchando, Alice y Bob siempre podrán saberlo porque es imposible observar un estado cuántico sin también afectarlo. De esta manera, los sistemas QKD son considerados inhackeables. Si Bob y Alice detectan un cambio en los estados cuánticos de los fotones, sabrán que Eve está escuchando. Y si Eve está escuchando, Bob y Alice siempre podrán detectarlo.
Aunque los beneficios de QKD han sido probados tanto en laboratorio como en campo, existen muchos desafíos prácticos que impiden su adopción generalizada, siendo el más notable los requisitos de infraestructura. Los fotones enviados a través de cables de fibra óptica se degradan a distancias de aproximadamente 400 a 500 kilómetros. Sin embargo, los avances recientes han extendido el alcance de algunos sistemas QKD a través de continentes usando nodos seguros y repetidores de fotones.
Lanzamiento cuántico de moneda
El lanzamiento cuántico de moneda es un tipo de primitiva criptográfica (algo así como un bloque de construcción para algoritmos) que permite a dos partes que no confían entre sí acordar un conjunto de parámetros. Imagina que Bob y Alice están hablando por teléfono y quieren apostar en un lanzamiento de moneda, pero solo Bob tiene acceso a la moneda. Si Alice apuesta por cara, ¿cómo puede estar segura de que Bob no mentirá y dirá que salió cruz, aunque salga cara?
Este tipo de apuesta de 50:50 puede lograrse mediante Bob enviando a Alice una serie de fotones polarizados basándose en una de las dos orientaciones. Y tomando nota de los giros específicos de cada fotón como un uno o un cero, así como de los filtros que usa para establecer sus polaridades. Alice puede entonces adivinar qué filtro usar para leer la polarización de cada fotón individual. Y a partir de esto, puede comparar sus lecturas con las notaciones de Bob y adivinar si Bob eligió un conjunto de polaridades u otro. Si Bob o Alice sospechan que el otro está haciendo trampa, pueden comparar las lecturas que se toman por los filtros polarizadores para autenticación.
Tipos adicionales de criptografía cuántica
Los investigadores continúan explorando otros tipos de criptología cuántica que incorporan encriptación directa, firmas digitales, entrelazamiento cuántico y otras formas de comunicaciones cuánticas. Otros tipos de encriptación cuántica incluyen los siguientes:
- Criptografía cuántica basada en la posición
- Criptografía cuántica independiente del dispositivo
- Protocolo Kek
- Protocolo Y-00
- Criptografía post-cuántica
Según el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), el objetivo de la criptografía post-cuántica (PQC, también llamada resistente a cuántica o segura cuántica) es “desarrollar sistemas criptográficos que sean seguros tanto contra computadoras cuánticas como clásicas, y que puedan interoperar con los protocolos y redes de comunicación existentes.”
No debe confundirse con la criptografía cuántica, que se basa en las leyes naturales de la física para producir sistemas criptográficos seguros, los algoritmos criptográficos post-cuánticos usan diferentes tipos de criptografía para crear seguridad a prueba de cuánticos. Estas son las seis áreas principales de la criptografía segura cuántica:
- Criptografía basada en retículas
- Criptografía multivariada
- Criptografía basada en hash
- Criptografía basada en códigos
- Criptografía basada en isogenias
- Resistencia cuántica de clave simétrica