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¿Qué es la comunicación cuántica? Definición y conceptos clave

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Las maravillas del mundo cuántico no se limitan a los ordenadores. La transferencia de datos en este estado promete reducir al máximo los hackeos. Por eso, cada vez más gobiernos y empresas apuestan por las infraestructuras de comunicación cuántica que podrían crear la base de internet cuántico

  • por Martin Giles | traducido por Ana Milutinovic
  • 27 Febrero, 2019

Casi cada semana vemos noticias de algún megahackeo que deja expuestas enormes cantidades de información sensible, desde datos de tarjetas de crédito e informes médicos hasta la valiosa propiedad intelectual empresarial. La amenaza de los ciberataques está obligando a gobiernos, ejércitos y empresas a explorar formas más seguras de transmitir la información.

Hoy en día, los datos confidenciales se encriptan y luego se envían a través de cables de fibra óptica y otros canales, junto con las "claves" digitales necesarias para descifrar la información. Los datos y las claves se transmiten en forma de bits clásicos, un flujo de pulsos eléctricos u ópticos representados en forma de ceros y unos. Y es esta codificación la que los vulnerables ante los hackers más habilidosos, que pueden leer y copiar los 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, normalmente fotones de luz que transmiten los datos mediante los cables ópticos, tengan un estado de superposición en el que pueden adoptar un estado de cero y de uno de forma simultánea, un fenómeno conocido como superposición cuántica. Estas partículas son conocidas como bits cuánticos, o cúbits (ver ¿Qué es un ordenador cuántico? Definición y conceptos clave).

Lo bueno de los cúbits desde la perspectiva de la ciberseguridad es que, si un hacker intenta espiarlos mientras están siendo transferidos, su estado cuántico súper frágil "colapsa" en forma de cero o de uno. Esto significa que ningún hacker puede manipular los cúbits revelarlo.

Algunas empresas están aprovechando esta propiedad para crear redes de transmisión de datos altamente confidenciales basadas ​​en un proceso denominado distribución de claves cuánticas (QKD, por sus siglas en inglés). En teoría, estas redes deben resultar ultra seguras (ver La física cuántica ya permite enviar mensajes de forma 100% segura).

¿Qué es la distribución de claves cuánticas?

La QKD envía datos cifrados en forma de bits clásicos a través de las redes, pero las claves necesarias para para descifrar la información se codifican y transmiten en un estado cuántico mediante cúbits.

Se han desarrollado varios métodos, o protocolos, para implementar la QKD. Uno de ellos, ampliamente utilizado, llamado BB84, funciona así: imaginemos a dos personas, Alicia y Roberto. Alicia quiere enviar datos de forma segura a Roberto. Para ello, crea una clave cifrada en forma de cúbits cuyos estados de polarización representan los valores de bits individuales de la clave.

Los cúbits se pueden enviar a Roberto a través de un cable de fibra óptica. Al comparar las mediciones del estado de fracción de estos cúbits, un proceso conocido como "comprobación de claves", Alicia y Roberto pueden confirmar que tienen la misma clave.

A medida que los cúbits viajan a su destino, el frágil estado cuántico de algunos de ellos colapsará debido al fenómeno de la decoherencia. Para compensarlo, Alicia y Roberto realizan 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, desechan la clave sospechosa y generan una nueva hasta que están convencidos de que comparten una clave segura. Luego, Alicia puede usar la suya para cifrar los datos y enviarlos en forma de bits clásicos a Roberto, quien usa la suya para decodificar la información.

Cada vez hay más redes QKD. La más larga está en China y cuenta con un enlace terrestre de 2.032 kilómetros entre Pekín y Shanghái. Varios bancos y otras compañías financieras ya la están utilizando para transmitir datos. En EE. UU., una start-up llamada Quantum Xchange ha llegado a un acuerdo que le da acceso a más de 80o kilómetros de cable de fibra óptica a lo largo del país para crear una red QKD. Y Europa también tiene su propio proyecto de comunicación cuántica.

Pero aunque la QKD es relativamente segura, lo sería mucho más si dispusiera de repetidores cuánticos.

¿Qué es un repetidor cuántico?

Los materiales de los cables pueden absorber fotones, lo que significa que normalmente solo pueden viajar unas pocas decenas de kilómetros. Para compensarlo, las redes clásicas usan repetidores en varios puntos a lo largo de un cable para amplificar la señal.

Las redes QKD pueden aprovechar un enfoque similar, creando "nodos de confianza" en varios puntos. La red china 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 viajar al siguiente nodo. Pero esto significa que realmente no se puede confiar en los nodos de confianza: si un hacker viola la seguridad de los nodos podría copiar los bits sin ser detectado y adquirir la clave, al igual que las empresas y gobiernos que controlen los nodos.

Para un funcionamiento ideal, hacen falta repetidores cuánticos o estaciones de paso con procesadores cuánticos integrados que permitan que las claves de cifrado permanezcan en estado cuántico 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 crear un prototipo funcional.

Hay otro problema con la QKD. Los datos subyacentes se siguen transmitiendo en forma de bits cifrados a través de las redes convencionales. Esto significa que un hacker que viole las defensas de la red podría copiar los bits sin ser detectado, y luego usar un ordenador con mucha potencia para intentar descifrar la clave.

Los algoritmos de cifrado más potentes son bastante robustos, pero el riesgo es lo suficientemente grande como para que algunos investigadores hayan optado por investigar un enfoque alternativo conocido como teletransporte cuántico.

¿Qué es el teletransporte cuántico?

Aunque suene a ciencia ficción, se trata de un método real que consiste en transmitir datos en estado cuántico al 100 %. El enfoque se basa en un fenómeno cuántico conocido como entrelazamiento (ver Un fotón se teletransporta desde la Tierra al espacio por primera vez).

El teletransporte cuántico se basa en parejas de fotones entrelazados. Uno de ellos se envía al destinatario y el otro al remitente de la información. Cuando Alicia recibe su fotón entrelazado, 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 como está entrelazado con el de Roberto, esa interacción también cambia instantáneamente el estado de su fotón.

En efecto, esto "teletransporta" los datos al cúbit de memoria de Alicia desde su fotón hasta el de Roberto. El siguiente gráfico muestra el proceso con un poco más de detalle.

Muchos investigadores en Estados Unidos, China y Europa están compitiendo para crear redes de teletransporte capaces de distribuir fotones entrelazados. Pero aumentar su alcance será un gran desafío científico e ingeniero. Entre los numerosos obstáculos está el de encontrar formas seguras de generar muchos fotones entrelazados a demanda y mantener su enlazamiento en distancias muy largas, algo que sería más fácil con repetidores cuánticos.

No obstante, estos retos no han impedido que los investigadores sueñen con un futuro internet cuántico.

¿Qué es internet cuántico?

Al igual que internet tradicional, se trata de 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 al internet que conocemos ahora. Las fotos de gatos, los vídeos musicales y una gran cantidad de información comercial no sensible se seguirá transmitiendo en forma de bits clásicos. Pero internet cuántico atraerá a las organizaciones que necesitan asegurar datos particularmente valiosos. También podría ser una forma ideal de conectar la información que fluye entre los ordenadores cuánticos, que cada vez están más disponibles a través de la nube informática.

China está a la vanguardia de internet cuántico. Lanzó un satélite de comunicaciones cuánticas llamado Micius hace unos años, y en 2017, el satélite ayudó a organizar la primera videoconferencia intercontinental, asegurada por QKD, entre Pekín y Viena (Austria). Una estación terrestre ya conecta el satélite con la red terrestre de Pekín a Shanghái. China planea lanzar más satélites cuánticos, y varias ciudades del país están creando planes para las redes municipales de QKD.

Algunos investigadores han advertido que incluso un internet completamente cuántico puede llegar a ser vulnerable a nuevos ataques que también serían cuánticos. Pero frente a los ciberataques que afectan al internet actual, las empresas, los gobiernos y los militares van a seguir explorando la tentadora idea de tener una alternativa cuántica más segura.

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