Recientemente un grupo de investigadores han demostrado que se puede enviar un mensaje imposible de descifrar con una clave mucho más corta que el mensaje mismo.

La máquina enigma cuántica desarrollada en la Universidad de Rochester. La luz láser pasa a través de cristales que encriptan o desencriptan la información. Crédito: University of Rochester

Investigadores de la Universidad de Rochester lograron demostrar que se puede enviar un mensaje totalmente seguro, imposible de descifrar (hasta ahora), con una clave que sea mucho más corta que el mensaje mismo. Es la primera vez que se hace algo semejante. Lo han llamado la «máquina cuántica Enigma», en referencia al famoso dispositivo de encriptación nazi que fue descifrado por el genio matemático, lógico, científico de la computación, criptógrafo, filósofo Alan Turing durante la Segunda Guerra Mundial.

Hasta ahora, los mensajes cifrados seguros se transmitían a través de un sistema previsto por el matemático estadounidense Claude Shannon, considerado el «padre de la teoría de la información». Shannon combinó su conocimiento de álgebra y circuitos eléctricos para llegar a un sistema binario de transmisión de mensajes seguros, bajo tres condiciones: la clave es aleatoria, se utiliza sólo una vez, y es al menos tan larga como el mensaje mismo.

La investigación, publicada en la revista Physical Review A, se basa en el bloqueo cuántico de datos, un método que hasta ahora ha sido solo teórico. Avanzado por Seth Lloyd, profesor de información cuántica en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), utiliza fotones -las partículas más pequeñas asociadas con la luz- para llevar un mensaje. Se creía que este sistema tenía limitaciones para el cifrado de mensajes de forma segura, pero Lloyd descubrió la manera de hacer suposiciones adicionales -aquellas que involucran el límite entre la luz y la materia- para que sea un método más seguro para el envío de datos.

Mientras que un sistema binario permite solamente una de dos posiciones con cada bit de información, las ondas de fotones pueden ser alteradas de muchas más formas: el ángulo de inclinación puede ser cambiado, la longitud de onda se puede hacer más larga o más corta, y el tamaño de la amplitud puede ser modificado. Puesto que un fotón tiene más variables -y hay incertidumbres fundamentales cuando se trata de mediciones cuánticas- la clave cuántica para cifrar y descifrar un mensaje puede ser más corta que el propio mensaje.

¿Como funciona la máquina cuántica Enigma? Alice y Bob se mandan un mensaje

El sistema de Lloyd ha sido una teoría hasta este año, cuando el equipo de Rochester dirigido por Daniel Lum desarrollaron un dispositivo, la máquina cuántica Enigma, que pondría en práctica la teoría. Supongamos que una persona llamada Alice quiere enviar un mensaje cifrado a otra, Bob. Alice utiliza la máquina para generar fotones que viajan a través del espacio libre y en un modulador espacial de luz (SLM) que altera las propiedades de los fotones individuales (por ejemplo, la amplitud, la inclinación) para codificar correctamente los mensajes en los frentes de onda planos pero inclinados que se pueden enfocar a puntos únicos dictados por la inclinación. Pero el SLM hace una cosa más: distorsiona las formas de los fotones en patrones al azar, de forma que los frentes de onda no sean planos, lo que significa que no tienen un enfoque bien definido.

Alice y Bob saben las teclas que identifican las operaciones de cifrado aplicadas, así que Bob es capaz de usar su propia SLM para aplanar el frente de onda y enfocar los fotones, y las propiedades alteradas se traducen en los distintos elementos del mensaje.

Junto con la modificación de la forma de los fotones, Lum y el equipo hicieron uso del principio de incertidumbre, que establece que cuanto más sabemos acerca de una propiedad de una partícula, menos sabemos acerca de otras propiedades. Debido a eso, los investigadores fueron capaces de bloquear de forma segura seis bits clásicos de información usando sólo un bit de una clave de cifrado, una operación llamada bloqueo de datos.

«Si bien nuestro dispositivo no es 100% seguro, debido a la pérdida de fotones, muestra que el bloqueo de datos en el cifrado de mensajes es mucho más que una teoría», señala Lum.

El objetivo final de las máquina cuántica Enigma es prevenir que un tercer actor, alguien llamado Eva, intercepte y descifre el mensaje. Un principio fundamental de la teoría cuántica es que la mera acción de medir un sistema cuántico altera el sistema. Como resultado, Eva tiene una sola oportunidad de obtener y traducir el mensaje cifrado, algo que es virtualmente imposible, dado el casi ilimitado número de patrones que existe por cada fotón.