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Cifrado de Vernam

Un grupo de investigadores chinos ha batido el récord de transmisión cuántica de claves entre dos estaciones separadas por 1120 km.

Esta simple noticia abre el camino a la resolución del cifrado perfecto propuesta en 1949 por Claude Shannon que demostró matemáticamente que el algoritmo del cifrado de Vernam es 100% seguro.

Siendo así, ¿por que no se utiliza?.

Para empezar, el cifrado de Vernam es 100% seguro siempre y cuando se cumplan estas cuatro condiciones:

  • La clave de cifrado se debe generar de forma verdaderamente aleatoria.
  • La clave debe ser de la misma longitud que el mensaje a cifrar.
  • La clave es única y nunca se reutiliza.
  • La clave solo puede ser conocida por el emisor y receptor.

Empezando por la clave aleatoria encontramos el primer problema.

Conseguir un generador de bits verdaderamente aleatorios requiere una fuente natural de aleatoriedad y conseguir un dispositivo hardware para explotar esta aleatoriedad y producir una secuencia de bits libre de sesgos y correlaciones es una tarea muy compleja.

Aun así no es imposible, así que demos por supuesto que tenemos este punto resuelto.

El siguiente reto es compartir de forma segura claves tan largas como el propio mensaje a cifrar.

Si no te fías del canal de comunicación el problema de enviar la clave es ¿por que canal la mando? y ¿como la envío?. ¿Cifrada también?. Entonces tendría que mandar otra clave y entramos en el día de la marmota.

La mecánica cuántica acude a nuestra ayuda para generar la clave de seguridad perfecta. La distribución cuántica de claves soluciona todos los problemas del cifrado de Vernam: permite crear claves aleatorias de la longitud deseada y enviarlas por un canal seguro sin que ningún atacante pueda interceptarlas.

Para ver cómo lo hace tenemos que recordar algunos conceptos básicos de física.

La luz es una radiación electromagnética compuesta por fotones que viajan vibrando con cierta intensidad, longitud de onda y una o muchas direcciones de polarización.

La cuestión es crear un «Filtro polarizador » capaz de eliminar todas las direcciones de oscilación de la luz salvo una.

El entrelazamiento cuántico se produce cuando un par de partículas, como dos fotones, interactúan físicamente. Un rayo láser disparado a través de un cierto tipo de cristal puede hacer que los fotones individuales A y B se dividan en pares de fotones entrelazados. Ambos fotones pueden separarse por una gran distancia, tan grande como se quiera.

Cuando el fotón A adopta una dirección de polarización, el fotón B entrelazado con A adopta el mismo estado que el fotón A, sin importar la distancia a la que se encuentre de A.

Es lo que Albert Einstein denominó “acción fantasmal a distancia.”

En 1991 al físico Artur Ekert se le ocurrió aprovechar esta propiedad cuántica del entrelazamiento para idear un sistema de transmisión de claves aleatorias e imposibles de interceptar por un atacante sin que se le detecte.

Dos partículas pueden estar entrelazadas de forma que lo que le pasa a una le pasa instantáneamente a la otra, aunque estén separadas por miles de millones de kilómetros. Si alguien intenta observar estas partículas durante su transmisión su estado cambia y el entrelazamiento queda roto. Esta propiedad permite crear un sistema de comunicación teóricamente imposible de hackear, pues la mera observación por parte del espía destruye el mensaje.

Y aquí viene la noticia de los investigadores chinos

El equipo de investigación chino liderado por Jian-Wei Pan logró distribuir claves a 1120 km de distancia usando fotones entrelazados.

Hasta ahora, los experimentos de distribución cuántica de claves se han realizado a través de fibra óptica a distancias de poco más de 100 km.

Enviarlos a través del aire desde un satélite tiene el problema que las partículas de agua y polvo de la atmósfera desentralazan los fotones con rapidez destruyendo el mensaje.

Hasta ahora solo se había conseguido que llegase desde el satélite al telescopio sobre el suelo uno de cada 6 millones de fotones, a todas luces insuficiente para transmitir claves.

El equipo de investigadores chinos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hefei consiguió transmitir una clave a velocidad de 0,12 bits por segundo entre dos estaciones separadas 1120 km.

Dado que el satélite llega a ver ambas estaciones simultáneamente durante 285 segundos al día, puede transmitirles claves mediante el método de entrelazamiento cuántico a una velocidad de 34 bits/día y una tasa de error de 0,045.

Es el inicio para superar las barreras tecnológicas que impiden construir una Internet de información cuántica impermeable a los ataques.

Se ha pulverizado el récord de distancia de comunicación cuántica.

En su trabajo los investigadores chinos ponen su sistema a prueba ante diferentes tipos de ataques demostrando que es seguro con una velocidad y eficiencia 100.000 millones de veces superior a la de la fibra óptica terrestre.

El próximo paso sería usar satélites geoestacionarios, cuya órbita a unos 35.000 kilómetros de la Tierra permitiría aumentar la distancia a la que pueden enviarse mensajes cifrados con tecnología cuántica, algo que Europa planea hacer dentro del programa SAGA de la Agencia Espacial Europea.

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