Europa trabaja en un internet cuántico imposible de hackear

Mi tren de París (Francia) a Rotterdam (Países Bajos) salió con una hora de retraso. Cuando finalmente llegué a la ciudad holandesa, descubrí que el tren que iba a Delft (Países Bajos) había sido suspendido por trabajos de mantenimiento en las vías. Así que después de dos largos viajes en autobús y un trayecto en taxi, por fin llegué a mi destino.

Parecía una situación apropiada, dado que me dirigía allí para saber un poco más sobre el futuro de las comunicaciones. Mi viaje fue un recordatorio de que, aunque el transporte de personas sigue teniendo un montón de fallos imprevistos, cada día, cada hora y cada minuto, enormes cantidades de datos fluyen sin problemas y a gran velocidad, a través de los cables de fibra óptica que conectan ciudades, países y continentes.

Pero estas redes de datos tienen una debilidad: pueden ser hackeadas. Entre los documentos secretos filtrados hace unos años por el proveedor de la Agencia de Seguridad Nacional de Estados Unidos (NSA), Edward Snowden, había pruebas de que las agencias de inteligencia occidentales habían logrado conectarse a los cables de comunicación para espiar los datos que fluían a través de ellos.

El instituto de investigación que visité en Delft, QuTech, está trabajando en un sistema que podría hacer que una violación como esa se volviera imposible. Su idea consiste en aprovechar la mecánica cuántica para crear una red de comunicaciones totalmente segura entre Delft y otras tres ciudades de los Países Bajos para finales de 2020.

Crédito: Mr. Tech.

Los investigadores de QuTech, dirigidos por Stephanie Wehner y Ronald Hanson, aún tienen por delante una serie de desafíos técnicos de enormes proporciones. Pero si finalmente tienen éxito, su proyecto podría cristalizar en un futuro internet cuántico, de la misma manera que la red Arpanet creada por el Departamento de Defensa de EE. UU. a finales de la década de 1960 inspiró la creación de internet tal y como lo conocemos hoy en día.

Cúbits inimitables

Internet es vulnerable al tipo de ciberataques que destapó Snowden porque los datos todavía viajan a través de cables en forma de bits clásicos, un flujo de pulsos eléctricos u ópticos que representan unos y ceros. Cualquier hacker que logre conectarse a los cables puede leer y copiar esos bits en tránsito.

Las leyes de la física cuántica permiten que una partícula como un átomo, un electrón o un fotón de luz (para transmitir por los cables ópticos) ocupe un estado cuántico que representa un uno y un cero de forma simultánea. Esa partícula se llama bit cuántico, o cúbit. Cuando intentamos observar un cúbit, su estado mixto "colapsa" y se convierte en un uno o un cero. Esto significa que, si un hacker accede a un flujo de cúbits, esa intrusión destruye la información cuántica y deja una clara señal de que ha sido manipulada, explica Wehner.

Gracias a esta característica, los cúbits se llevan años utilizándose para generar claves criptográficas en un proceso conocido como distribución cuántica de claves (QKD). Los datos se envían en forma habitual a través de una red, mientras que las claves necesarias para descifrarlos se transmiten por separado en estado cuántico.

China ha demostrado algunas aplicaciones impresionantes de QKD. El año pasado, utilizó un satélite llamado Micius para transmitir claves cuánticas desde el espacio hasta dos estaciones terrestres, una en Pekín (China) y la otra en Viena (Austria). Las claves se utilizaron para descifrar datos clásicos para una vídeoconferencia segura entre las dos ciudades. Cualquier intento de interceptar la comunicación que contiene las claves las habría destruido, haciendo imposible que los espías (o cualquier otra persona) descifraran la vídeoconferencia. China también ha construido una red de comunicaciones QKD desde Pekín hasta Shanghái (China) que los bancos y otras compañías están utilizando para transmitir datos comerciales confidenciales.

Sin embargo, este modelo tiene sus limitaciones. Los fotones pueden ser absorbidos por la atmósfera o por los materiales de los cables, lo que significa que normalmente solo pueden viajar unas pocas decenas de kilómetros. La red Pekín-Shanghái soluciona el problema al tener 32 denominados "nodos de confianza" en varios puntos a lo largo de la red, similares a los repetidores que amplifican la señal en un cable de datos común. En estos nodos, las claves se descifran de forma clásica y luego se vuelven a cifrar en un nuevo estado cuántico para su viaje al siguiente punto de la ruta. Pero esto significa que los nodos de confianza realmente no son tan fiables. Un hacker podría vulnerar su seguridad y copiar las claves clásicas sin ser detectado, al igual que la empresa o gobierno que gestiona los nodos.

Teletransporte cuántico

Wehner, Hanson y sus colegas en QuTech pretenden superar estas limitaciones para construir internet cuántico completamente seguro.

El enfoque que están utilizando se llama teletransporte cuántico. Aunque suene a ciencia ficción, es un método real de transmisión de datos basado en un fenómeno conocido como entrelazamiento cuántico (ver Un fotón se teletransporta desde la Tierra al espacio por primera vez).

El entrelazamiento consiste en crear un par de cúbits (fotones de luz, en este caso) que compartan un único estado cuántico, de modo que incluso si viajan en direcciones opuestas, conservan una conexión cuántica. Modificar el estado de un fotón altera instantáneamente el estado del otro de una manera predecible, independientemente de la distancia entre ellos. Albert Einstein lo llamó "acción espeluznante a distancia".

Entonces, el teletransporte cuántico requiere enviar primero un par de fotones entrelazados a dos personas, los llamaremos Alicia y Roberto. Alicia recibe su fotón entrelazado y lo deja interactuar con un "cúbit de memoria" que contiene los datos que quiere transmitir a Roberto. Esta interacción cambia el estado de su fotón, y por lo tanto también cambia el estado del fotón de Roberto. En efecto, esto "teletransporta" los datos del cúbit de memoria de Alicia del fotón de Alicia al fotón de Roberto. La siguiente ilustración muestra el proceso con un poco más de detalle.

Otra forma de verlo: el par de fotones entrelazados son como los dos extremos de un cable virtual de datos de un solo uso. Cada vez que Alicia y Roberto quieren enviar datos, primero reciben un cable nuevo y, como cada uno de ellos tiene un extremo, solo ellos pueden usarlo. Eso es lo que lo protege de las intrusiones ilegales.

Crédito: Mr. Tech.

Hay varias maneras de crear cúbits entrelazados. El jefe de la parte de hardware de la iniciativa de QuTech, Hanson, usa diamantes sintéticos microscópicos con un defecto deliberado en ellos conocido como el defecto de vacío de nitrógeno. Este defecto se puede manipular mediante luz y microondas para emitir fotones que se pueden enviar a lugares alejados.

No obstante, ampliar este proceso es un enorme reto científico y de ingeniería. Hanson reconoce: "Podemos tratar de hacer un entrelazamiento a larga distancia, pero falla la mayor parte del tiempo". Dado que los cables de fibra óptica a veces toman rutas indirectas, las distancias que deberán recorrer los fotones en el proyecto de QuTech serán probablemente más largas que las directas que aparecen en el mapa.

Pero en 2015 se produjo un avance alentador. Hanson y otro grupo de investigadores lograron entrelazar cúbits a una distancia de 1,3 kilómetros, pero la conexión solo se pudo establecer una vez por hora y duró una fracción de segundo. En junio de este año, los investigadores anunciaron que habían logrado entrelazar dos electrones a un par de metros 40 veces por segundo. Esto los convirtió en los primeros en el mundo en demostrar que el entrelazamiento a demanda es posible.

Crear ondas láser

Ese experimento tuvo lugar dentro de un laboratorio. Replicarlo en el mundo real es cuestionable. Las dificultades técnicas incluyen no solo acelerar el entrelazamiento y mantenerlo a distancias mucho mayores, sino también realizar un delicado truco de física que utiliza pulsos láser para aumentar las longitudes de onda de los fotones para que puedan viajar más lejos a través de los cables de fibra óptica.

Mientras Hanson se centra en estos retos, Wehner está liderando el diseño de las redes y la innovación de software necesaria para realizar la conexión entre cuatro ciudades. El software utilizado para controlar las redes de comunicación clásicas no puede hacer frente a entrelazamiento, por lo que Wehner ha estado trabajando en una novedosa estructura que permitirá controlar la nueva red cuántica de manera eficiente y crear aplicaciones para ella.

En un reciente hackathon organizado por QuTech y el registro regional de internet de Europa, las aplicaciones sugeridas incluían la votación segura, las firmas digitales e incluso un servicio de chat cuántico.

El equipo de QuTech parece decidido a cumplir su objetivo de completar la red de cuatro ciudades para finales de 2020, aunque Wehner admite que la fecha está "muy justa". Lo que descubran lo incluirán en un proyecto europeo recientemente lanzado llamado la Alianza de Internet Cuántico (Quantum Internet Alliance, QIA). Wehner está coordinando la alianza, cuyo objetivo es "construir un internet cuántico que permita las aplicaciones de comunicación cuántica entre dos puntos en la Tierra".

Se trata de algo muy ambicioso. Aunque Holanda es un banco de pruebas útil dado que las distancias entre sus ciudades son bastante pequeñas. Es probable que para crear redes más grandes hagan falta "repetidores cuánticos". A diferencia de los "nodos de confianza" en la red de China, que convierten la información cuántica en una forma clásica y luego de nuevo en cuántica, estos repetidores, o estaciones de paso con procesadores cuánticos, serán necesarios para extender el entrelazamiento sobre miles de kilómetros para que las redes permanezcan inaccesibles para los hackers.

Foto: Stephanie Wehner y Ronald Hanson. Crédito: Marieke de Lorjin | QuTech.

Varios investigadores, incluido el equipo de QuTech, están trabajando en esta idea, pero aún está muy verde. "Hay mucha teoría, pero aún no hay ninguna prueba de los principios en el laboratorio", dice la profesora de la Universidad de Innsbruck (Austria) Tracy Northup, que también está involucrada con la QIA.

Suponiendo que internet cuántico se convierta en una realidad, planteará cuestiones importantes. ¿Estará disponible para todos, solo estará disponible para empresas y gobiernos con mucho dinero mientras que el resto seguirá dependiendo de los clásicos menos seguros? Y, ¿acaso los gobiernos comenzarán a insistir en que necesitan puntos de acceso especiales a las redes cuánticas, tal y como lo hacen ahora con las puertas traseras en los softwares y los teléfonos inteligentes?

Si el equipo de QuTech logra superar los obstáculos técnicos que enfrenta, veremos un gran paso adelante. Y los investigadores de los Países Bajos no son los únicos que lo intentan. China está tramando un plan para una red de comunicaciones completamente cuántica que uniría las ciudades chinas de Zhuhai y Hong Kong. Y con Micius y su red terrestre existente, los chinos han demostrado lo rápido que pueden avanzar. La carrera hacia internet cuántico está verdaderamente en marcha.