Investigadores crearon la primera máquina cuántica Enigma

Una máquina cuántica Enigma es un dispositivo teórico que puede utilizar fotones para encriptar mensajes gracias a llaves que son más cortas que el mensaje en sí mismo. Esta máquina ahora es real.

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17 Agosto 2016, 3:56pm

En 1949, el padre de la teoría de la información, Claude Shannon, escribió un artículo académico en el que demostraba que es posible crear un mensaje perfectamente seguro. Un mensaje cuyo código jamás pudiera ser pirateado — ni siquiera con todo el poder computacional del universo.

Según Shannon, la hazaña solo requería emplear una clave de encriptación generada de manera aleatoria que fuera tan larga como el mensaje que contenía y que solo pudiera usarse una vez. No importaba qué método se eligiera para generar la clave aleatoria, Shannon descubrió claves perfectamente seguras que estaban elaboradas con letras, palabras o incluso a partir de señales de video y así codificar el mensaje. Lo importante es que la clave sea completamente aleatoria; esto es que no tenga absolutamente nada que ver con el mensaje que contiene. Un mensaje codificado gracias a un código completamente aleatorio y que solo se puede probar una vez sería perfectamente seguro porque, incluso en el caso de que alguien dispusiera del poder de computación necesario para calcular todas y cada uno de las posibles opciones de contraseña, terminaría con una tonelada de mensajes coherentes que imposibilitarían deducir cual de todos ellos sería la solución.

En los más de 65 años que han pasado desde el influyente ensayo de Shannon, el arte de la criptografía ha vivido un renacimiento y al día de hoy no es extraño dar con métodos de encriptación que exigen que las computadoras resuelvan problemas matemáticos tan complejos, que lo más probable es que el universo se extinga antes de que lleguen a ser resueltos. Y, sin embargo, tales formas de encriptación no son tan seguras como las vaticinadas por Shannon, puesto que sería perfectamente posible que sea descubierto un algoritmo capacitado para descifrarlos en mucho menos tiempo del que falta para el fin del mundo. Claro que los matemáticos siguen con su búsqueda y de momento no han encontrado una solución.

La interminable búsqueda del mensaje perfectamente seguro llevó a Seth Lloyd, un profesor de Información Cuántica del Instituto Tecnológico de Massachussetts (MIT por sus siglas en inglés) a concebir la creación de una máquina Enigma cuántica en 2013. El aparato, cuyo nombre proviene de la máquina Enigma de la era nazi, un artefacto empleado para decodificar mensajes, utiliza los estados cuánticos de los fotones individuales para codificar mensajes gracias a la alteración de la onda del fotón, alteraciones que se realizan sobre la amplitud o la longitud de onda de la partícula. A diferencia de la distribución de clave cuántica, que emplea los principios de la mecánica cuántica para codificar mensajes que luego son enviados a través de canales de comunicación habituales, como cables de fibra óptica o líneas telefónicas, la máquina Enigma cuántica sería capaz de transmitir los estados cuánticos a través de la generación de un canal cuántico entre el destinatario y el emisor del mensaje. Y lo que es más importante, la clave que se emplea para codificar el mensaje es más corta que el mensaje en sí mismo. A este sistema de encriptación se le conoce como método cuántico de encriptación.

La idea para el dispositivo era intrigante, pero debido a las limitaciones tecnológicas quedó en pura teoría. Al menos así fue hasta mayo del año pasado, cuando un equipo de investigadores logró crear una máquina Enigma cuántica en su laboratorio por primera vez.

La investigación fue encabezada por Daniel Lum, un licenciado de la Universidad de Rochester que nunca había oído hablar de la versión cuántica de la máquina Enigma hasta hace poco menos de un año, cuando se cruzó con el influyente artículo de Lloyd en el que este describía técnicamente su artefacto. Lum decidió comentarle a su jefe de laboratorio, el físico John Howell, sobre el curioso descubrimiento que había hecho. Lo siguiente fue planteárselo como un posible trabajo de investigación. Los compañeros de laboratorio de Lum se mostraron entusiasmados con la idea y Lum contactó a Lloyd y a un puñado de investigadores del instituto nacional de Tecnología, quienes le ayudaron a diseñar un experimento para someter a prueba la teoría de Lloyd sobre la máquina Enigma cuántica.

La máquina Enigma cuántica diseñada por Lum y sus colegas es de un diseño elegantemente sencillo, pero tremendamente compleja en su mecánica. En su nivel más básico, la máquina está apuntalada sobre tres componentes nucleares: un dispositivo capaz de generar fotones individuales, dos moduladores de luz espaciales y de infinidad de nanohilos de 8x8.

Para activar el dispositivo, un emisario — al que llamaremos Alice — lanza un fotón desde el cable de fibra óptica de uno de los moduladores espaciales de luz. El modulador espacial de luz manipula la onda frontal del fotón. Lo hace gracias a inclinar ligeramente la onda y a modificar su dirección. Sería un experimento comparable a reflejar luz sobre un espejo, para acto seguido empezar a oscilar ligeramente el espejo. Gracias a la modulación de ese fotón, Alice logra codificar la información contenida por el mismo: Alice proyecta el fotón una vez que la modulación ha sido alineada con un punto específico del entramado de 8x8 de nanohilos. El receptor, al que llamaremos Bob, será quien controle esa señal.

Para comprender el proceso mejor podría ser útil si visualizamos el entramado de nanohilos como si fuera un teclado en el que cada uno de los 64 nanohilos representaría un tecla distinta. En semejante ejemplo, Alice se estaría comunicando con Bob disparando fotones a través de su teclado de nanohilos hasta mandar un mensaje.

La primera máquina Enigma cuántica. Imagen: Lum, et al.

Si el comportamiento de la máquina Enigma se redujera a esta actividad entonces sería fácil para cualquier fisgón (o fisgona, llamémosla Eva), leer los mensajes que Bob envía a Alice. A Eva le bastaría con medir el sistema mientras el fotón se mueve a través de él, para determinar hacia cual tecla del teclado está viajando la partícula. De tal maner que además de manipular la dirección a la que viaja el fotón para así codificarlo con información, el modulador espacial de luz también se dedicará a revolver la onda de los fotones gracias a la aplicación de una frecuencia aleatoria sobre la onda. Si el frente de la onda fuese originalmente suave, eso significa que ahora se habrá convertido en rugoso. Tal es la manera en que Alice codifica el mensaje que le manda a Bob: al endurecer el frente de la onda está consiguiendo desconcentrar al fotón, lo cual convierte en posibilidades infinitamente pequeñas que este llegue al punto del teclado de nanohilos al que se dirige.

La frecuencia aleatoria que se aplica al frente de la onda del fotón está proyectada por un manual encriptado al que Bob, Alice y Eva han tenido acceso. Gracias al uso del manual encriptado, Bob y Alice podrán deducir qué frecuencia aleatoria será aplicada al fotón antes de que Alice envíe su mensaje a Bob a través de ese canal. Debido al inconmensurable número de frecuencias aleatorias que podrían ser aplicadas a ese fotón, para Eva resultará completamente imposible determinar qué frecuencia o qué patrón sería necesario para descifrar el frente de la onda del fotón, sin tener previo acceso al código que Bob y Alice ya se han intercambiado. Cuando el fotón llegue a Bob, entonces ella empleará su modulador espacial de luz para descifrar el frente de onda del fotón, lo que permitirá que el fotón alcance el entramado de nanohilos que Alice había intentado enviarle.

Las ventajas de este método de encriptación de datos cuánticos son varios. En primer lugar, debido a las actuales limitaciones de la memoria cuántica, los estados cuánticos (como el del mismo fotón) no pueden ser almacenados de manera indefinida pues llegará un punto en el que se desintegran; entonces serán absorbidos por el entorno en el que se encuentren. Normalmente si un mensaje encriptado es interceptado, ese mensaje puede ser salvado por su interceptor, que entonces podría dedicarse a probar todas las maneras posibles para piratear la clave de acceso o esperar hasta reunir la información necesaria que le permita descubrir el código desde el exterior.

Claro que Eva solo dispone de una oportunidad para deshacer el entuerto del fotón que se han enviado entre Bob y Alice y una vez que lo haya intentado, Eva habrá corrompido el mensaje. Eso se debe a un principio fundamental de la física cuántica que establece que el intento de medición de un sistema cuántico siempre termina provocando cambios en el sistema. Si damos por hecho que Eva no tiene acceso a las frecuencias aleatorias que Bob y Alice han convenido proyectar de antemano sobre el fotón, las posibilidades que Eva logre adivinar la frecuencia correcta en su primer intento son virtualmente cero. Es más, dado de que los estados cuánticos no pueden almacenarse indefinidamente, Eva se verá obligada a intentar adivinar el código con la única bala que dispone, una vez que haya interceptado el mensaje antes de que el estado cuántico del fotón se desintegre.

Esencialmente lo que Lum y sus colegas han conseguido con su investigación es mejorar el diseño de Shannon, el que perseguía alcanzar la emisión de mensajes perfectamente seguros. Y eso se debe, fundamentalmente, a que su clave es de hecho, más corta que el mensaje encriptado. Y porque, además, incorpora una clave secreta extra, lo cual asegura que ninguna clave podrá ser introducida en más de una ocasión.

Una de las versiones originales de la máquina Enigma alemana. Imagen: Wikipedia Commons

En el experimento, Lum y sus colegas han encriptado cada fotón con seis pedacitos de información.

Uno de esos pedacitos ha sido empleado para codificar el mensaje, 2.3 pedacitos han sido destinados a codificar la nueva contraseña y el resto han sido empleados para reparar posibles errores, lo que ayudaría a corregir las pérdidas de información que se producen durante la transmisión. Cada vez que envían un mensaje este será codificado gracias a una corriente de 63 fotones que contendrán 378 pedazos de información. Y eso significa que una tecla de 147 pedazos (2.3 por fotón) podría bastar para codificar el lote entero de 378 pedazos de información (63 fotones con seis pedacitos por cabeza).

A pesar que para Lum y los colegas que le han ayudado a elaborar la máquina Enigma, este artefacto solo pretendía demostrar un concepto, lo cierto es que ha sido lo suficientemente convincente como para ser aprobado por la prestigiosa publicación Physical Review A, donde sus resultados serán publicados en los próximos meses.

Mientras tanto Lum y sus colegas desean seguir desarrollando su sistema para codificar información cuántica. Además de probar cuán resistentes se muestran ante los intentos de pirateo, Lum ha declarado que sería necesario averiguar cómo recortar las pérdidas de información que se produce inevitablemente durante la transmisión de los estados cuánticos.

"Nuestro experimento es la demostración de un principio y entendemos que esta particular implementación de la misma nunca funcionará en comunicaciones de largo alcance" cuenta Lum, "Mucha gente considera que no sale a cuenta seguir intentándolo porque se trata de un problema inmensamente complejo, pero creo que sería muy posible conseguir rebajar la pérdida de información hasta tal punto que se pueda transmitir información de manera segura a través de los canales cuánticos. La codificación de la información cuántica todavía está en su prehistoria".