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Ilustración de Christine Daniloff/MIT

Computación

'Blockchain' se vuelve cuántico para sobrevivir al ordenador del futuro

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El poder de los ordenadores cuánticos amenaza con destruir la criptografía que garantiza la seguridad de cualquier cadena de bloques. Para solucionarlo, esta investigación propone crear una versión cuántica de la tecnología capaz de entrelazar la información del pasado con la del presente para hacerla incorruptible

  • por Emerging Technology From The Arxiv | traducido por Mariana Díaz
  • 18 Mayo, 2018

Una cadena de bloques, o blockchain, es una estructura matemática que almacena datos de forma segura a lo largo del tiempo (ver 'Blockchain': ¿Qué es y cómo funciona una cadena de bloques?). La tecnología se ha hecho famosa a raíz del éxito de Bitcoin, la primera criptomoneda y la que dio lugar a la tecnología. Bitcoin depende de las cadenas de bloques para almacenar transacciones de bitcoins que se llevan a cabo en su plataforma de forma segura.

Más allá de Bitcoin, la tecnología también sirve para almacenar cualquier tipo de dato, por ejemplo: la información de envío, el avance de programas informáticos, contratos inteligentes, etcétera. De hecho, parece que blockchain se convertirá en una de las tecnologías claves del siglo XXI (ver Las cinco industrias que más podrían beneficiarse de 'blockchain').

Sin embargo, blockchain tienen un talón de Aquiles. Las cadenas de bloques están aseguradas mediante funciones criptográficas estándar. Estas funciones son relativamente seguras porque para hackearlas hacen falta enormes recursos informáticos que generalmente no están disponibles.

Pero la llegada anunciada de los ordenadores cuánticos podría alterar este escenario. Para estos dispositivos, romper ese tipo de protección criptográfica estándar sería un juego de niños (ver Los ordenadores cuánticos podrían acabar con Bitcoin en sólo una década). Pero hay algo contra lo que los ordenadores cuánticos no pueden luchar: la criptografía cuántica. Por ello, varios grupos de investigación ya han planteado la idea de incorporar la criptografía cuántica a las cadenas de bloques para garantizar su seguridad (ver La física cuántica logra proteger una cadena de bloques frente a un ordenador cuántico).

Pero los investigadores de la Universidad Victoria de Wellington (Nueva Zelanda) Del Rajan y Matt Visser creen que hay una solución mejor y más simple. La criptografía cuántica se limita a añadir una capa cuántica al protocolo estándar de blockchain. Por el contrario, estos investigadores proponen que, en lugar de eso, blockchain se convierta en un fenómeno cuántico al completo.

Su idea es crear una cadena de bloques mediante partículas cuánticas entrelazadas en el tiempo. Eso permitiría que una sola partícula cuántica codifique el historial de todas sus predecesoras de forma que sería imposible hackear el sistema sin destruirlo. Tal protocolo se basa en las leyes de la física para garantizar la seguridad. Pero también puede provocar efectos secundarios inusuales. "Esta cadena de bloques cuántica descentralizada podría verse como una especie de máquina del tiempo cuántica en red", detallan los investigadores.

Para entender lo que quieren decir, hace falta un poco de contexto. Una cadena de bloques es simplemente un libro de contabilidad que registra algún tipo de información, como por ejemplo las transacciones de divisas. Estas transacciones se agregan continuamente a una base de datos llamada bloque, pero al final de un período de tiempo dado, el bloque se cifra con una función matemática llamada hash, o función de resumen. Esto produce un número único que puede usarse para representar con exactitud los datos.

Este número único se incluye en el siguiente bloque junto al nuevo conjunto de transacciones. Después de un tiempo, toda la información acaba encriptada con otra función hash para producir un nuevo número único, que se añade al siguiente bloque, y así sucesivamente. Este proceso es el que da lugar a una cadena de bloques anidados dentro del último, de ahí el nombre de blockchain (cadena de bloques).

Cualquiera que intente falsificar el registro necesitaría encontrar una forma de alterar los datos sin alterar el resultado de la función hash. Pero, a  nivel computacional, este proceso es increíblemente complicado, por lo que se considera imposible de realizar mediante computación estándar. Sin embargo, a un ordenador cuántico no le costaría demasiado llevarlo a cabo.

Por eso Rajan y Visser han llegado a un enfoque diferente basado una versión 100 % cuántica de blockchain. La clave de su enfoque está en el entrelazamiento cuántico, un fenómeno en el que dos partículas se entrelazan para compartir la misma existencia. Esto quiere decir que dos partículas entrelazadas comparten el mismo punto en el espacio y el tiempo, por lo que cualquier alteración en una partícula influiría de forma inmediata en la otra.

La seguridad estaría garantizada por la fragilidad del entrelazamiento cuántico. Cualquier alteración en una de las dos partículas entrelazadas destruiría al instante el enlace. Entonces, si un usuario malicioso intentara modificar una de ellas, la otra lo identificaría inmediatamente.

Las partículas pueden entrelazarse en el espacio y también en el tiempo. Así que una partícula del presente puede entrelazarse con otra que existió en el pasado. Por lo que si alguien intentara alterar la partícula del presente, su acción influiría inmediatamente en su predecesora.

Este proceso provoca algunos fenómenos sutiles y contra intuitivos. Por ejemplo, hay un sentido cuántico especial en el que es posible influir en el pasado, aunque está claro que hay límites estrictos sobre lo que se puede hacer. Por ejemplo, no es posible activar sucesos para matar a los abuelos de alguien e impedir que esa persona nazca. Ese tipo de paradoja no está permitida.

Pero el fenómeno sí hace que resulte más difícil distinguir entre causa y efecto. Además, también es posible aumentar la cantidad de información que se puede transmitir a través del tiempo. Este es justo el tipo de entrelazamiento temporal que Rajan y Visser explotan para producir una cadena de bloques cuántica. La idea básica consiste en codificar los datos en una partícula cuántica, convirtiéndola en el primer bloque cuántico.

Cuando aparecen nuevos datos, estos pueden combinarse con los de la primera partícula mediante una operación cuántica que la entrelaza con una segunda partícula. La primera se descarta y el registro del primer bloque de transacciones se combina con el segundo bloque. Después, los datos de un tercer bloque se podrían agregar de la misma manera, lo que daría lugar a una cadena.

Esta cadena sería segura porque cualquiera que intentara manipularla la invalidaría al instante. Esa es la ventaja del entrelazamiento cuántico. Otro beneficio del blockchain cuántico es que los bloques anteriores son completamente seguros. "El atacante ni siquiera puede intentar acceder a los fotones anteriores porque ya no existen", explican Rajan y Visser, y añaden: "El entrelazamiento en el tiempo proporciona una seguridad mucho mayor que el entrelazamiento en el espacio".

La mayoría de la tecnología para hacer este tipo de blockchain ya existe, al menos en forma de prueba de concepto. "Todos los subsistemas de este diseño ya se han demostrado experimentalmente", indican Rajan y Visser.

Es un trabajo interesante, y es probable que el enfoque gane popularidad a medida que los potentes ordenadores cuánticos empiecen a penetrar en la sociedad. IBM ya tiene una computadora cuántica de 50 cúbits y está trabajando en máquinas aún más potentes. Es solo cuestión de tiempo que este tipo de aparatos sean capaces de destruir la confianza en las cadenas de bloques.

Pero hay una parte clave de la infraestructura necesaria para hacer que este tipo de blockchain cuántico funcione que aún no está disponible: hace falta una red cuántica. Esta red debería ser capaz de transmitir información cuántica mediante enrutadores cuánticos sin destruir sus propiedades cuánticas. Actualmente hay equipos trabajando en este tipo de sistema y se espera que se implemente en los próximos meses, o años, en Europa, Estados Unidos y China (ver Este diminuto 'router' cuántico podría ser la base del internet cuántico del futuro).

La tarea de construir un sistema de este tipo es básicamente una labor de ingeniería, no de física fundamental. Por lo tanto, es solo cuestión de tiempo antes de que se pueda realizar una cadena de bloques cuántica. Aunque está claro que no sabemos si este tipo de protocolo será el mejor.

¡Quizás Rajan y Visser podrían aprovechar su máquina del tiempo cuántica para descubrir qué tecnología es la que triunfa en el futuro!

Ref: arxiv.org/abs/1804.05979Quantum Blockchain Using Entanglement In Time

Computación

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