Un avance cuántico en criptografía
Un equipo de científicos de varios países ha descubierto una forma de lograr números verdaderamente aleatorios. El estudio, sobre el que se ha publicado un artículo en la revista Nature, recibió apoyo de los proyectos PERCENT («Percolación del entrelazamiento y recursos de información cuántica mediante redes cuánticas») y QORE («Correlaciones cuánticas»), financiados con 7 millones de euros y 2 millones de euros respectivamente por el Consejo Europeo de Investigación (CEI). Una tercera fuente de financiación fue el proyecto QAP («Aplicaciones de bits cuánticos»), que recibió 9,9 millones de euros por medio del área temática «Tecnologías de la Sociedad de la Información» del Sexto Programa Marco (6PM). Normalmente, los criptógrafos crean listas de números aleatorios mediante unos algoritmos matemáticos denominados «generadores de números pseudoaleatorios» para su empleo en labores de codificación. No obstante, estos números nunca son verdaderamente aleatorios, pues no es posible asegurar que toda secuencia no sea de algún modo predecible. Ahora un equipo de físicos experimentales ha logrado un gran avance en la generación de números aleatorios: han aplicado los principios de la mecánica cuántica para producir una cadena verdaderamente aleatoria de números. «En la física clásica no tiene cabida la aleatoriedad en sentido estricto», explicó el director del equipo de investigación, Chris Monroe, del Joint Quantum Institute (JQI) de la Universidad de Maryland (Estados Unidos). «Es decir, es posible determinar el resultado de cualquier proceso físico clásico si se cuenta con suficiente información sobre las condiciones iniciales. Sólo los procesos cuánticos son verdaderamente aleatorios, e incluso en la aplicación de estos hay que confiar en que el dispositivo utilizado sea en realidad cuántico y no posea trazas de la física clásica.» Según las leyes de la mecánica cuántica, las propiedades de los objetos son inciertas por naturaleza. En realidad se puede calcular en términos probabilísticos cualquier propiedad, pero éstas sólo adoptan un valor determinado al medirse. Por lo tanto, en teoría, es posible obtener un conjunto de números aleatorios al ejecutar una serie de mediciones cuánticas completamente independientes entre sí. Los investigadores referidos emplearon una técnica revolucionaria denominada «aleatoriedad privada», inventada en 1964 por el doctor en física irlandés John Bell para comprobar una hipótesis sobre mecánica cuántica que afirma que dos partículas, sean éstas fotones o partículas de materia, pueden entrar en un estado de entrelazamiento. Esto significa que pasan a depender la una de la otra, por lo que si se mide una propiedad en una partícula, la propiedad correspondiente en la segunda queda determinada por mucha distancia que las separe. «Las desigualdades de Bell implican la cuantificación del grado de entrelazamiento existente en un par entrelazado», indicó el profesor Monroe en declaraciones realizadas a Research Headlines. «Ahora bien, para realizar la prueba de desigualdad de Bell con la mayor pulcritud posible es necesario cumplir con dos condiciones. En primer lugar, las partículas deben estar separadas por una distancia lo suficientemente grande como para que sea imposible que se produzca comunicación entre ellas, pues de cualquier otro modo se podría afirmar que "podrían haberse comunicado" para alcanzar un estado de correlación. En segundo lugar, es obligatorio tener la capacidad de registrar todos y cada uno de los eventos que se produzcan. Si se lanza al aire mil veces una moneda justa pero sólo se registran cincuenta resultados y la mayoría de estos son cara, aún se puede seguir afirmando que la moneda es justa.» La técnica ideada precisa que se cuenten las correlaciones entre las mediciones realizadas en los dos objetos al pasar los dispositivos de medición de una orientación a otra. El Dr. Bell demostró matemáticamente que si los objetos no estaban entrelazados, sus correlaciones debían estar por debajo de un valor determinado, expresado como una desigualdad. En cambio, si estaban entrelazados la correlación podría ser mayor, de forma que se incumpliría la desigualdad. En el nuevo experimento, el equipo situó átomos únicos en dos espacios separados un metro entre sí y los entrelazó. Cada vez que sus aparatos indicaban que se había alcanzado un estado de entrelazamiento, el equipo rotaba los átomos sobre sus ejes conforme a un plan aleatorio y medía la luz emitida por cada átomo. El valor de ambos átomos se utilizaba para generar un número binario. En total lograron más de 3.000 entrelazamientos que generaron 42 dígitos privados aleatorios binarios con un grado de confianza del 99%. Los investigadores indican en su artículo que «podemos certificar que por primera vez se ha producido una nueva aleatoriedad en un experimento sin que existiera un modelo detallado del dispositivo». El experimento ha sido el primero en incumplir la desigualdad entre objetos separados entre sí sin dejar de registrar ninguno de los eventos. «En el campo de la criptografía y de los números aleatorios, el perderse una buena parte de los eventos puede dar lugar a errores, pero en nuestro experimento no nos hemos perdido ni uno solo», afirmó el profesor Monroe. «El incumplimiento de la desigualdad de Bell es posible sólo si el sistema obedece a las leyes de la mecánica cuántica», añadió Dzmitry Matsukevich del JQI. «Por lo tanto, si verificamos un incumplimiento de la desigualdad de Bell entre sistemas aislados sin dejar pasar ningún evento sin registrar, podemos asegurar que nuestro dispositivo produce aleatoriedad privada. No es necesario que los átomos guarden mucha distancia, tan sólo la suficiente como para poder aislarlos entre sí, tal y como se haría en una configuración criptográfica real.» «La velocidad de generación de bits aleatorios es tremendamente lenta hoy en día», comentó el profesor Monroe, «pero esperamos acelerarla en varios órdenes de magnitud en los próximos años si aumentamos la eficacia de los entrelazamientos de átomos, probablemente mediante sistemas cuánticos semejantes a átomos introducidos en un chip de estado sólido.» Mediante el incumplimiento de la desigualdad de Bell a distancias mucho más grandes, añadió, «podría aplicarse un sistema de estas características para lograr mayor seguridad en la codificación de información».