Columna Emol: " La espeluznante ciberseguridad de la mecánica cuántica", por Jerónimo Maze
La mecánica cuántica funciona de manera extraordinariamente bien, pero es muy difícil entenderla cuando constantemente estamos expuestos a fenómenos de la naturaleza que pueden explicarse con la mecánica clásica de Newton. Una partícula, por ejemplo, se puede entrelazar con otra generando un vínculo “inexplicable” que se mantiene aun cuando ambas estuvieran en lados opuestos del universo, el entrelazamiento cuántico.
Estas y otras capacidades “mágicas” -que incomodaban incluso a Albert Einstein- han dado origen a las llamadas tecnologías cuánticas. Las utilizamos a diario por medio de aplicaciones en nuestros dispositivos y representan la siguiente era de la tecnología, con una serie de desarrollos que impactarán también en la seguridad informática: recientes avances científicos relacionados con el entrelazamiento cuántico podrían cambiar la forma de relacionarnos en los próximos años, incluso a nivel de seguridad nacional.
Partículas cuánticas
¿De qué se trata? La base de los actuales algoritmos de encriptación, radica en la dificultad para factorizar un número grande, pero esta barrera desaparece con el desarrollo de la computación cuántica: si la factorización de un número arbitrariamente grande demoraría el equivalente a la edad del universo en un computador clásico, a un computador cuántico le tomaría menos de una hora.
Esta tecnología, que revoluciona la computación, ha sido posible gracias a las propiedades de la mecánica cuántica que ponen a prueba nuestra intuición sobre el mundo que nos rodea: un objeto, o partícula, puede estar en dos estados posibles al mismo tiempo. Esto se conoce como. superposición cuántica. y sería algo así como si una taza de café pudiese estar “llena” y “vacía” a la vez. Es cierto que a simple vista parece complejo, pero permite un nivel de cómputo gigantesco y sin precedentes, sobrepasando nuestro poder actual con creces.
En esta parte de la historia irrumpe el entrelazamiento cuántico, que describe el comportamiento de dos o más partículas, siendo por cierto aún más desafiante para nuestro entendimiento cotidiano. Veamos en qué consiste.
Supongamos que tenemos ahora dos tazas de café y cada una de ellas puede estar vacía o llena. La mecánica cuántica nos ofrece la posibilidad de tener un estado para ambas tazas: si la primera se encuentra “llena”, la segunda se encontrará “vacía”. Y a la vez, si la primera se encuentra “vacía”, la segunda se encontrará “llena”. De tal manera que, si una persona observa la primera taza llena, una segunda persona observará la segunda taza vacía, y viceversa, sin importar la distancia que las separe.
Este comportamiento entre partículas ha generado múltiples discusiones filosóficas sobre la interpretación de la mecánica cuántica, en particular a lo que “actuar a distancia” y de forma aparentemente “instantánea” se refiere. Esta propiedad que parecía actuar más rápido que la velocidad de la luz, llevó a Einstein a llamarla la “espeluznante acción a distancia”. Sin embargo, también podría ser la solución para la transmisión segura de información.
Criptografía cuántica
En 1982, este “actuar a distancia” fue comprobado en el célebre experimento del francés Alain Aspect, quién este año recibió el premio Nobel de física junto a John F. Clauser y Anton Zeilinger, por sus contribuciones a la mecánica cuántica, y en particular a la información cuántica.
En este experimento, y siguiendo con nuestra analogía, Aspect utilizó fotones en vez de tazas de café, y en vez de observar si estaban llenas o vacías, observó la polarización de los fotones. El experimento comprobó que el comportamiento de estos fotones no se ajusta a la mecánica clásica, sino que a la mecánica cuántica. Más aún, experimentos posteriores con fotones entrelazados demostraron que, contrario a lo que ocurre con los sistemas clásicos de comunicación actual, si alguien trata de interceptarlos en un intento de espionaje, esta acción es fácilmente detectable: los datos codificados cuánticamente cambian si un tercero los observa. De esta manera, el entrelazamiento cuántico puede ser utilizado para generar información que solo dos personas conozcan.
Luego de 40 años del experimento de Aspect, investigadores de varias partes del mundo han podido generar fotones entrelazados contribuyendo a que la transmisión segura y práctica de información sea una realidad cada vez más cercana. En el año 2020 investigadores de China lograron generar fotones entrelazados separados por más de mil kilómetros de distancia de manera satelital y utilizarlos para generar bits seguros a una tasa de 0,12 bits por segundo.
Y este año existen dos importantes publicaciones en la revista Nature en donde se utiliza el entrelazamiento cuántico como elemento fundamental para protocolos de criptografía. Con estos resultados, la espeluznante acción a distancia puede convertirse en el elemento clave de la seguridad de algunas naciones en los próximos años.
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Jerónimo Maze
Profesor Asociado del Instituto de Física de la Universidad Católica. Es Ingeniero Industrial con Diplomado en Ingeniería Eléctrica y Doctor en Física de la Universidad de Harvard (2010). Sus líneas de investigación se centran en estudios teóricos y experimentales de la mecánica cuántica para crear aplicaciones novedosas en áreas como la metrología. La columna de ciencia es coordinada por el Proyecto Ciencia 2030 UC.
