Cifrado cuántico

1 - Sistemas de cifrado cuántico

Mientras que la computación cuántica se mueve en el misterio de los secretos de estado y en los laboratorios de universidades y corporaciones, ya hay sistemas de cifrado cuántico comerciales, como el de la empresa **QuinetiQ**∞.

Vamos a intentar describir, de forma sencilla, el funcionamiento de un sistema de claves cuánticas, que supera el problema de los computadores cuánticos. Para ello, nos basaremos en el protocolo cuántico de generación de claves (QKG) más sencillo, el **BB84**∞...


Un sistema de cifrado tradicional es seguro si se dan dos condiciones:

* La clave es perfectamente aleatoria.
* La clave solamente se usa una vez.


Aunque parece algo sencillo, lo cierto es que para que esto se cumpla, es necesario que la clave sea del mismo tamaño que el mensaje, que tenga un único uso y ha de estar en posesión del emisor y del receptor de forma exclusiva. El principal problema para lograrlo, está en la compartición de las claves.

Una solución al problema de la compartición de claves, la encontramos en los sistemas de clave pública-privada, pero como hemos dicho, puede que no sean seguros cuando los ordenadores cuánticos estén disponibles. Para ello, podemos recurrir a sistemas de distribución de claves cuánticos, que se basan en tres leyes **fundamentales**∞:

* Teorema de no clonación, que nos asegura que el estado de un Qbit no puede ser copiado en otro. Es decir, un espía no podrá copiar la clave que circula por el sistema cuántico en otro sistema cuántico.
* Cualquier intento de determinar información sobre un sistema cuántico, tiene como consecuencia, una modificación del mismo. Es decir, no se puede ver lo que circula por el sistema cuántico sin perturbarlo.
* Una vez determinado el estado cuántico, la situación del Qbit es irreversible. Es decir, no podemos borrar nuestras huellas, si espiamos un sistema cuántico.


Para un sistema de distribución de claves cuántico, necesitamos dos canales, uno cuántico, por ejemplo, una fibra óptica y otro tradicional, por ejemplo, una conexión telefónica. También necesitaremos una fuente de fotones, como un láser.

Cada Qbit puede tener cuatro estados posibles, dos corresponderán a una polarización oblicua y otros dos a una polarización recta. Para provocar estos estados usaremos, en el lado del emisor, que llamaremos Alicia, cuatro filtros de polarización, dos para el modo de polarización recta y dos para el de polarización oblicua. Estos filtros los podemos representar como “/” y “\” (45º y -45º) para polarización oblicua y “|” y “-” (90º y 180º) para polarización recta. Supongamos también, que asignamos a cada variación de los modos de polarización, los valores de “0” y “1”. Por ejemplo, “\”=1, “/”=0 y “-”=0, “|”=1. Para determinar un fotón por completo, debemos saber al mismo tiempo, el modo de polarización y el bit codificado en dicho modo, lo que tendría el problema detallado en el punto b) de las leyes de la mecánica cuántica. La solución está en determinar el bit, sin determinar el modo de polarización ¿cómo lo hacemos?. Veamos el procedimiento.

En el otro lado, que llamaremos Bob, colocaremos unos filtros “x” e “+” que son capaces de determinar el bit correcto, solamente si acertamos a utilizar el filtro que corresponde al modo de polarización que tenía el fotón, recto o oblicuo, ya que no podemos determinar completamente el estado, por el principio de incertidumbre. Para hacerlo, se necesitarían 4 filtros y como la mecánica cuántica nos impide usar los cuatro al mismo tiempo, en el momento que no usemos el adecuado, cambiaremos la polarización del fotón, destruyendo su información. Dicho de otro modo, de los 3 parámetros que definen el estado de polarización de un Qbit, solamente podemos determinar dos, el otro nos lo tienen que dar de alguna forma, como veremos seguidamente.

Estos dos filtros los utilizaremos de forma aleatoria sobre los Qbits que nos llegan, consiguiendo una secuencia de 0 y 1. De esta secuencia, como hemos dicho, no estamos seguros que hayamos elegido el filtro correcto, es decir, todavía nos queda por determinar el tercer parámetro de cada Qbit. Para ello, Bob manda a Alicia, a través de la línea telefónica y en claro, la secuencia de filtros que ha utilizado aleatoriamente. Alicia le contestará indicando los que ha utilizado correctamente para cada Qbit, lo que permite a Bob eliminar los bits correspondientes a una mala elección del filtro.

Hay que señalar, que la comprobación de filtros no compromete la clave. Para cada filtro, sigue habiendo la posibilidad de un 0 o 1, la incertidumbre es absoluta, ambos valores, para cada modo de polarización, tienen una probabilidad del 50%. Lo que se hace realmente, es intercambiar el parámetro que faltaba y que permite a Bob determinar la polarización completa del Qbit, sin violar el principio de incertidumbre. Como se hace después, no antes del envío, no hay más remedio que rechazar los bits que no son válidos. Los bits correspondiente a una correcta elección del filtro, formarán la clave para intercambiar mensajes. Este proceso se denomina medición de **Von Neumann**∞.

Ahora bien ¿qué pasa si hay alguien, llamado Eva, interceptando la comunicación, con la intención de capturar la clave?. Para no interferir en la comunicación, Eva debería poder usar los dos filtros al mismo tiempo, cosa que es imposible, ya que cada vez que se equivoque en la elección, Bob recibirá un Qbit cambiado. Para comprobarlo, se emplean métodos estadísticos. Si no hay nadie escuchando, la probabilidad de acertar con el filtro adecuado es de 3/4, mientras que de fallar es de 1/4. Si Eva está escuchando, aumentará la tasa de errores, por los fallos que introduce al usar el filtro con el modo de polarización no adecuado. Los fallos serán un 50% mayores que antes, por lo tanto, la probabilidad de acertar en este caso bajará a 5/8 y de fallar subirá a 3/8. Para comprobarlo, bastará con tomar una parte de los bits recibidos e intercambiarlos entre Alicia y Bob. Si la tasa de error, es superior a la estimada de 1/4 y se aproxima a 3/8, es que Eva está escuchando e introduce errores en el proceso, por lo que la clave no es válida.

Estos sistemas tienen la limitación de la distancia, de la velocidad de transmisión máxima, limitada a 100 Mb/s y de la necesidad de una conexión mediante fibra óptica entre los extremos. La criptografía cuántica no se basa en la complejidad del sistema, se basa en el hecho de que al intentar leer un sistema cuántico, se modifica su estado de forma irremediable, es decir, en la misma incertidumbre y aleatoriedad que caracteriza la mecánica cuántica, más seguridad es imposible.

Extraído de Wikilearning

Falla en el sistema de cifrado cuántico.

Escrito por berny el Tuesday, 28 October 2008

Un estudiante de la Universidad Noruega de Ciencia, llamado Vadim Makarov, ha puesto fin a la esperanza que habían depositado los especialistas en la seguridad del cifrado cuántico. O casi. Vadim ha descubierto una vulnerabilidad que le permite a un atacante romper este tipo de encriptación sin ser detectado. Recordemos que la fortaleza del sistema era, en teoría, la imposibilidad de de leer los mensajes en tránsito, sin que el mismo proceso de lectura modificase la información contenida en los mismos, alertando al receptor que alguien había metido la nariz en sus secretos.

El ataque implica un pulso de luz láser muy intenso.

Pero Vadim Makarov ha encontrado la manera de burlar el sistema. Para comprender como este estudiante ha realizado su tarea, debemos tener presente que los usuarios de este tipo de criptografía codifican cada digito binario alterando la polarización de un fotón. Supongamos el usuario “Alice” es el emisor que transmite un flujo de fotones de señalización, compuesto por 0 o 1, eligiendo al azar una de las dos formas posibles de codificar los dígitos.
Debido a que el receptor, “Bob“, no sabe qué sistema de codificación emplea Alice, debe decodificar ambos tipos, utilizando dos pares de detectores de fotones (uno para cada sistema). Un divisor del haz de luz original dirige, al azar, cada fotón recibido a uno de los pares de detectores. Si un fotón llega al par detector correcto es decodificado con éxito. Caso contrario, Bob recibe un resultado falso.

Una vez que la transmisión ha finalizado, Alice utiliza un canal no codificado para decirle a Bob qué sistema es el que empleó para codificar cada fotón. Todos los dígitos decodificados erróneamente se descartan, y el resto constituyen la clave secreta que más tarde se empleará para trasmitir los mensajes secretos. Parece complicado pero, en la práctica, todos esos pasos se efectúan automáticamente mediante un sistema informático.

Ahora supongamos que hay una tercera persona, llamada “Eva“, que intercepta la transmisión. Eva debe emular el método de detección empleado por Bob y, a continuación, reenviarle los datos sin ninguna modificación para hacerle creer que todo funciona con normalidad. Pero la mecánica cuántica hace que esta tarea resulte imposible. El mensaje ha sido cambiado por Eva al interceptarlo, y contiene errores que revelarán su presencia cuando Alice y Bob comparen notas más tarde.

Makarov al ataque

Sin embargo, Makarov y colegas de Suecia y Rusia, han demostrado que Eva podría controlar el equipo de forma que Bob reciba exactamente el mismo mensaje que Alice le ha transmitido, a pesar de que ella “se ha metido en medio”. Según Makarov, cuando Alice le dice a Bob, al finalizar la transmisión, cuál es la codificación correcta, Eva puede deducir la clave empleada. Hay muchos conceptos de física avanzada involucrados, pero básicamente diremos que el método aprovecha el hecho de que un contador de fotones puede perder sensibilidad si es iluminado con un flash muy brillante.

El ataque comienza cuando Eva envía un pulso de luz láser muy intenso a los cuatro detectores en el equipo de Bob. Después de eso, Eva puede enviar un segundo impulso a sólo uno de los cuatro detectores. El pulso es, simplemente, una ráfaga que contiene muchos fotones, todos codificados utilizando uno de los dos sistemas cuánticos, y todos representando los mismos dígitos.

Inicialmente, el divisor de haz de Bob envía la mitad de los fotones a cada par de detectores. Pero su intensidad no basta para excitar a los detectores que han sido “cegados” (en realidad, solo se ha modificado su umbral de sensibilidad) por el láser enviado por Eva. Esto desencadena una serie de fallos que hace posible a Eva descubrir la clave. Makarov asegura que su sistema funciona en dos de cada tres intentos, al menos en el laboratorio.

Está claro que el sistema se ha quebrado. Pero no debemos pasar por alto que lo que se ha roto es el mecanismo que se emplea actualmente para la descodificación de los mensajes, y no el sistema de cifrado cuántico en sí mismo. Si se mejoran los detectores de fotones, o simplemente se “blinda” el ordenador encargado de la decodificación para que no pueda ser iluminado por el láser de Eva, el sistema sigue a salvo. Además, tampoco creemos que en los sitios de altísima seguridad (típicamente gobiernos y bancos) que se emplean estos modernos sistemas de criptografía, Eva pueda entrar fácilmente con su espada Jedi para cegar los detectores.

Más allá de todo el reto que ha significado para Makarov el descubrir este agujero de seguridad, nada ha cambiado: el corazón del cifrado cuántico sigue intacto.

Extraído de Byte Informático

Cifrado cuántico, una realidad

Autor: David Martín
Fecha: 09/10/2008

Por primera vez se ha demostrado la transmisión de datos cifrados con un sistema de cifrado cuántico en una red de telecomunicaciones comercial. 41 partners de 12 países europeos han trabajado en este desarrollo desde abril de 2004. El resultado: el primer sistema comercial de comunicaciones que aplica un cifrado que teóricamente es totalmente "irrompible" gracias al uso de tecnologías cuánticas de generación de las claves.

La demostración tuvo lugar en Viena, donde los responsables del proyecto SECOQC (Secure Communication based On a Quantum Cryptography) explicaron por primera vez cómo habían logrado transmitir datos a través de una red comercial cifrándolos mediante complejas técnicas de cifrado cuántico. Dada la vulnerabilidad de la mayoría de sistemas de cifrado actuales, la apuesta de este proyecto europeo es la de ofrecer un sistema de cifrado totalmente seguro e irrompible.

La Universidad de Bristol ha sido una de las grandes protagonistas de este desarrollo, y el profesor John Rarity del departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica ha sido el responsable de liderar el desarrollo de un sistema de cifrado cuántico de bajo coste, que además puede operar en diversos escenarios. Como explican en Physorg, las comunicaciones protegidas con este tipo de cifrado proporcionan seguridad a largo plazo, y por lo tanto se ajustan a las necesidades de seguridad de un buen número de organismos.

En ese mismo artículo explican el sistema: "la base es la de enviar flujos de partículas de luz (fotones) especialmente preparadas, para luego medirlas por las partes implicadas en la comunicación, y luego post-procesar esos datos obtenidos de la medición. El resultado es la clave criptográfica que se compone de cadenas de bits aleatorios idénticos en ambos extremos".

La red en la que se demostró dispone de 6 nodos y 8 enlaces intermedios que se sitúan a distancias de entre 6 y 82 kilómetros. Los enlaces hacen uso de seis tipos distintos de tecnología de cifrado cuántico para la generación de claves, que están integradas en la red a través de interfaces estándares. Los potenciales usuarios de una red de este tipo en la práctica son evidentes: agencias gubernamentales, instituciones financieras y todo tipo de empresas en las que la seguridad de la comunicación sea crítica.

Extraido de Muy Computer