Terra Quantum AG, uno de los principales pioneros de la tecnología cuántica en Europa, ha anunciado hoy los detalles de una investigación que cuestiona la comprensión actual de lo que constituye un cifrado de datos indescifrable y a prueba de futuro. El avance de Terra Quantum asegura las comunicaciones más críticas, como los mensajes de alta privacidad, los datos bancarios en línea y las comunicaciones confidenciales entre organizaciones internacionales.

Markus Pflitsch, fundador y CEO de Terra Quantum, ha señalado: "En una sociedad de la información que transfiere una cantidad cada vez mayor de datos personales a través de canales públicos, la seguridad de la información es un reto mundial emergente. Por ello, la protección de los datos confidenciales es un importante foco de tensión.

Y prosigue: “Nuestros innovadores resultados demuestran la vulnerabilidad de los actuales esquemas de encriptación poscuántica. Inspirados por la demanda de enmendar este punto débil, hemos desarrollado un método de distribución de claves superrápido a través de la fibra óptica".

¿Qué es la criptografía poscuántica?

La opinión generalizada es que el próximo gran avance de la potencia informática -la computación cuántica- está a pocos años de hacerse realidad. Y cuando la computación cuántica esté disponible, las anteriores técnicas de protección de datos mediante encriptación se volverán frágiles.

La criptografía poscuántica es el conjunto de métodos para llevar la protección de los datos a los estándares necesarios para un futuro entorno tecnológico en el que los hackers tengan acceso a la computación cuántica. Uno de los más populares es el estándar de cifrado avanzado (AES en sus siglas en inglés), creado para resistir los ataques de los ordenadores cuánticos. La criptografía poscuántica se ha convertido en el estándar de oro para las organizaciones que buscan una protección a largo plazo para sus datos.

¿Qué ha descubierto Terra Quantum?

Terra Quantum se ha dado cuenta de que el AES es bastante seguro frente a los algoritmos ya identificados, pero puede parecer indefenso frente a las próximas amenazas. Para crear la defensa, Terra Quantum se propuso buscar un punto débil probando el AES contra nuevos algoritmos. Terra Quantum descubrió un punto débil en el algoritmo de codificación de mensajes MD5. El equipo de Terra Quantum descubrió que se puede descifrar un algoritmo utilizando un recocido cuántico que contenga unos 20.000 qubits. Hoy en día no existe ningún recocido de este tipo y, aunque es imposible predecir cuándo se creará, es concebible que tal recocido pueda estar a disposición de los hackers en el futuro. Así, Terra Quantum ha demostrado las crecientes oportunidades de una inversión de la amplia clase de funciones hash criptográficas (la función hash es la función que transforma irreversiblemente una larga cadena de bits en un único número pequeño) como MD5 o AES. De este modo, Terra Quantum desvela la vulnerabilidad de los esquemas de encriptación poscuántica existentes.

¿Cuál es la solución?

El protocolo se denomina "transmisión de información segura ultrarrápida protegida por Boltzmann-Planck". El componente crítico del protocolo propuesto es el cambio del paradigma de seguridad basado en la irreversibilidad cuántica. Los directores de tecnología de Terra Quantum y los profesores Gordey Lesovik y Valerii Vinokur, han declarado: "El nuevo protocolo parte de la noción de que el demonio cuántico es una pequeña bestia. El enfoque estándar utiliza el concepto de que el demonio contratado por un espía (Eva) es un monstruo de cien kilómetros de tamaño, similar a King Kong, que puede utilizar con éxito todas las pérdidas de la línea de transmisión para descifrar la comunicación. Pero como los verdaderos demonios cuánticos son pequeños, Eva tiene que reclutar un ejército de mil millones de ellos para recoger con éxito todas las ondas dispersas que se filtran por la fibra óptica y que necesita para un desciframiento eficaz. Terra Quantum propone una técnica innovadora que utiliza el hecho de que tal ejército no puede existir, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica".

Queda la posibilidad del desvío local de la parte de la señal transmitida. Sin embargo, estas pérdidas locales pueden controlarse y mantenerse pequeñas con gran precisión. Además, la naturaleza cuántica de la luz restringe también la información disponible para un espía. De ahí que la señal enviada por Terra Quantum sea segura.

Apéndice científico

El protocolo en detalle

El obstáculo de las pérdidas de fibra

Propagración de la señal en la fibra óptica

Protección Planck

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El protocolo en detalle

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La historia de la incesante competición entre criptógrafos y descifradores se remonta a la época de las cavernas y ha visto muchas victorias para ambos bandos. Terra Quantum basa su solución en el cifrado de Vernon, conocido también como “libreta de un solo uso” o por el término en inglés "one-time pad", que Claude Shannon demostró que era inviolable. Terra Quantum introduce la distribución de clave cuántica superrápida, estableciendo una realización práctica de este procedimiento en el contexto del moderno servicio de comunicaciones de información superrápida. El innovador protocolo de Terra Quantum, la transmisión de información segura superrápida protegida por Boltzmann-Planck, hace que la comunicación transmitida electrónicamente sea en principio inviolable. El componente crítico del protocolo propuesto es el cambio del paradigma de seguridad basado en la irreversibilidad cuántica. El enfoque estándar utiliza el concepto de que un espía (Eva) puede utilizar con éxito todas las pérdidas de la línea de transmisión para descifrar la comunicación. Sin embargo, la mayor parte de las pérdidas se debe a la dispersión de las pequeñas imperfecciones (que aparecen inevitablemente durante la fabricación) de una señal que se propaga a través de la fibra óptica. La inversión de las ondas dispersas necesaria para un descifrado eficaz es similar al famoso problema de inversión del tiempo; inalcanzable para la fibra extendida que comprende miles de millones de dispersores por kilómetro. Nuestro paradigma ofrece un enfoque universal para mejorar críticamente la eficiencia de cualquier protocolo cuántico existente. La innovadora técnica propuesta nos permite desarrollar el protocolo protegido contra el ruido cuántico para propagar la información encriptada de forma segura con la mayor rapidez.

El obstáculo de las pérdidas en la fibra óptica

Las pérdidas en la fibra óptica siguen siendo el principal obstáculo para seguir avanzando en la eficacia de la transferencia de información, tanto en el caso clásico como en el cuántico. Terra Quantum se entra en la brecha al constatar que el enfoque convencional de la comunicación cuántica sufre dos veces. En primer lugar, las propias pérdidas perjudican la eficiencia. En segundo lugar, la creencia comúnmente aceptada de que un espía puede descifrar eficazmente la señal perdida parece no ser del todo cierta.

Para demostrarlo, inspeccionamos una línea de transmisión de un kilómetro de longitud. Derivando de la tasa de fuga, asumimos que el pulso inicial contiene cien millones de fotones para 1 segundo por unidad de longitud de la línea de transmisión y encontramos que la fuga real a lo largo de la línea constituye alrededor del 4 %. Si Eva hubiera podido utilizar esta cantidad de información de la fuente local, habría parecido una cantidad apreciable. Sin embargo, para recoger las ondas resultantes que contienen alrededor de un millón de fotones dispersados por los mil millones de dispersores, se requiere un dispositivo ficticio tipo demonio de Maxwell de un kilómetro de largo. Incluso recoger las ondas resultantes que contienen 10.000 fotones dispersados por los 100.000 dispersores mediante un dispositivo similar al demonio de Maxwell de un metro de largo parece extremadamente difícil, si es que es posible. Sin embargo, la ganancia de información sería sólo del 0,04%. Esta cantidad de información filtrada puede ser fácilmente compensada por el posprocesamiento de Alice y Bob.

Propagación de la señal en la fibra óptica

La propagación de la señal en la fibra óptica se asemeja, en gran medida, a la evolución del conjunto de partículas que experimentan la dispersión en el potencial de desorden apagado descrito por la ecuación cinética, generalizando la ecuación clásica de Boltzmann. Esto implica que la dinámica de las partículas va acompañada del crecimiento de la entropía y, por lo tanto, es irreversible, como lo expresa la Segunda Ley de la Termodinámica. La mayor implicación de la irreversibilidad es que Eva no puede recoger ninguna información útil de la dispersión. Sin embargo, sigue existiendo la posibilidad de desviar localmente la parte de la señal transmitida. Físicamente, esto puede implementarse, por ejemplo, mediante una curvatura local de la fibra, que lleva a la mezcla del modo de propagación primario con los modos de fuga de orden superior. Esto, a su vez, permite espiar la información transportada por el modo principal. Si la señal hubiera sido clásica, esta "flexión" habría abierto a Eva un acceso ilimitado al contenido completo del mensaje. Sin embargo, según el principio de Planck, la irradiación electromagnética está cuantizada; de ahí que la señal electromagnética sea una secuencia de partículas, los fotones. Por lo tanto, si la señal inicial contiene, en promedio, N fotones, y la fuga local se cuantifica por transparencia, sólo una pequeña fracción de la señal, TN (T representa la transparencia de la fuga local), llega a Eva. Además, esta fracción experimenta inevitables fluctuaciones cuánticas fundamentales relacionadas con la elección cuántica alternativa proporcional a TN. En consecuencia, la fracción relativa de las fluctuaciones crece como 1/TN con la disminución del número de fotones y la transparencia. Esto implica que si Eva obtiene sólo una pequeña porción de la señal, ésta se vuelve efectivamente descifrable, propiedad que llamamos "protección de Planck" de la transmisión de información. La llamada criptografía protegida contra el ruido cuántico utiliza una propiedad similar.

Protección de Planck

El principio general de la protección de Planck permite controlar la eficacia de toda la línea de transmisión a través de la transparencia de las fugas locales. La implementación de este control requiere un estudio minucioso del estado de la fibra óptica y de la matriz de dispersión emergente, que puede lograrse mediante métodos estándar de la tecnología de telecomunicaciones, en concreto, los que utilizan la reflectometría óptica de dominio del tiempo. Proponemos un nuevo método de control de la fibra óptica basado en la medición directa de la propagación de la señal de Alice a Bob. La precisión del control efectivo de la transparencia de la fuga es de unos pocos porcentajes para la duración de la medición de un nanosegundo (ns). Se vuelve aún más alta en mediciones más amplias. El avance innovador es aquel en el que el esquema propuesto nos permite transferir la señal encriptada mediante almohadillas irrompibles de un solo uso con una enorme velocidad similar a las mejores tasas alcanzadas por las Telecomunicaciones.

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FIN

Acerca de Terra Quantum

TERRA QUANTUM es una incubadora de tecnología profunda fundada en 2019, con sede en Suiza, centrada en aplicaciones de tecnología cuántica. Está dirigida por el alto directivo especializado en finanzas y antiguo físico cuántico del CERN, Markus Pflitsch, y respaldada por la principal empresa de capital de riesgo de Europa, Lakestar. La empresa está desarrollando una cartera de aplicaciones cuánticas líderes que incluye componentes de hardware para ordenadores cuánticos y soluciones de comunicación y criptografía cuánticas. Es extremadamente activa en el diseño de algoritmos cuánticos para todo tipo de máquinas cuánticas disponibles que son aplicables en diversos sectores. Visítenos en LinkedIn y en nuestra página web.

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