Carátula de webinar sobre comunicación cuántica.
25 de noviembre de 2022. ¿Qué es la criptografía cuántica? Es la criptografía que utiliza los principios de la física cuántica para crear un mensaje indescifrable para todos menos para el receptor previsto. En realidad, cuando se habla de criptografía cuántica nos referimos a un sistema de distribución de claves cuánticas QKD, sus siglas en inglés. Verónica Fernández Mármol, científica titular del CSIC, ha ofrecido un webinar en la Universidad Isabel I sobre ‘Comunicación cuántica para aplicaciones terrestres y espaciales’.
Verónica Fernández explicó que la ciencia está avanzando en el procesado de la comunicación cuántica, aunque para lograrlo son necesarios ordenadores cuánticos maduros y, en estos momentos, todavía no están suficientemente desarrollados.
Verónica Fernández comenzó su webinar definiendo los conceptos básicos de la criptografía, definiendo los dos sistemas criptográficos existentes y explicó porqué es necesario buscar alternativas a estos sistemas. Así, plantea que existen dos tipos de sistemas:
- la criptografía simétrica o clave secreta, que usa la misma clave para cifrar y descifrar mensajes en el emisor y el receptor. Las dos partes deben ponerse de acuerdo antes de usar la clave y comenzar la comunicación cifrada. Como ejemplo de estos criptosistemas indica el cifrado de Vernan, que es el único cifrado de seguridad demostrable matemáticamente y el cifrado moderno en bloque advanced encryption estandar o AES, que en estos momentos utiliza la OTAN y la National Security Agency (NSA de Estados Unidos) para cifrar sus comunicaciones. Se considera un sistema seguro. Esta criptografía distribuye una clave al emisor y receptor del mensaje.
- la criptografía de clave pública, que utiliza dos claves una pública conocida por todos y una clave secreta conocida solo por su dueño. A ella pertenece el algoritmo de Diffie-Hellman, que consigue resolver el problema de la distribución de clave existente en los sistemas de clave secreta, logrando que ambos comunicantes calculen la clave de manera segura usando un canal de comunicación inseguro donde se transmiten ciertos datos.
- Posteriormente se crea el algoritmo RSA (Riverst, Shamir y Adleman), como un sistema criptográfico de clave pública desarrollado a partir de 1979, que utiliza la factorización de números enteros y es válido para cifrar como para firmar digitalmente. En este caso, el mensaje se cifra con la clave pública del receptor y este receptor descifra el mensaje con su clave privada. Esto es lo que se conoce como criptografía de la clave publica.
Ambos tipos de criptografía se utilizan en tandem, se distribuye la clave con criptografía de clave pública y se cifra la información con criptografía de clave secreta. Los sistemas de clave pública como puede verse se basan en problemas matemáticos intratables con la potencia de cálculo de los ordenadores actuales. El problema surge con el Algoritmo de Shor, que es un algoritmo cuántico que es capaz de encontrar los factores primos eficientemente, quedando en tela de juicio la seguridad de los sistemas de clave pública. Esta investigación adquiere mayor relevancia a partir de 2007, cuando empiezan a construirse los primeros ordenadores cuánticos. Hoy en día se ha aprobado la supremacía cuántica, que es la capacidad del procesador cuántico para desarrollar las operaciones cuánticas más rápido que un ordenador normal. Se estima que en el 2030 se conseguirá un ordenador cuántico maduro que podría descifrar estos mensajes en un tiempo razonablemente corto.
Amalia Orúe López y Verónica Fernández Mármol durante el webinar.
La construcción de un ordenador cuántico operativo afectaría directamente las compras online, la banca online, las aplicaciones de email seguro, las firmas digitales y otro tipo de información que se puede cifrar y es crítica o muy sensible, como es el caso de la relacionada con gobiernos, agencias de inteligencia o servicios militares. Pasaría lo mismo con los secretos industriales o de las infraestructuras críticas como el transporte o la energía. Y a ello se añade la información confidencial de los ciudadanos como datos médicos, genoma o datos personales.
Por eso se está trabajando seriamente en buscar soluciones alternativas que sean quantum-safe a la encriptación de clave pública, que es la que forma parte actualmente de todos los medios de pago online, etc. La Distribución Cuántica de Clave, en inglés Quantum Key Distribution (QKD), es actualmente el único método de transmisión de claves criptográficas de forma incondicionalmente segura, ya que dicha seguridad está directamente soportada por leyes físicas. Y las otra de las soluciones está basadas en algoritmos matemáticos, como es la denominada criptografía post-cuántica, que se basa en la dificultad computacional que tendría un ordenador cuántico para resolver ciertos problemas matemáticos.
En el caso de los sistemas QKD, los canales de transmisión pueden ser la fibra óptica donde la absorción de la fibra limita la distancia, pero se puede solventar mediante nodos intermedios de seguridad cada 100 kilómetros. La red más extensa hoy en día, existe en China, tiene una longitud de 1000 kilómetros, con nodos de seguridad cada 100 kilómetros. Para distancias mayores se utiliza el especio libre, es decir, el aire. Esto además de posibilitar enlaces seguros tierra satélite, venciendo la barrera de la distancia de esta tecnología, son también útiles para proporcionar mayor ancho de banda en puntos con alto tráfico de datos en redes metropolitanas de fibra óptica, y posibilitaría el restablecimiento de conexiones en caso de catástrofes naturales donde las instalaciones de de fibra óptica estén dañadas. En el futuro, se prevé que las las redes Wireless puedan utilizar la comunicación óptica o comunicación láser con microsatélites para enviar información de alto volumen.
Verónica Fernández Mármol.
La Unión europea tiene un Plan de Comunicación Cuántica, que tiene como objetivo comunicar el mayor número de ciudades europeas ya que en un futuro, está previsto crear un Internet Cuántico. A nivel nacional, existe también un proyecto que comenzará en Madrid y Barcelona, y posteriormente, a Valencia, Sevilla o Vigo en el plazo de una década.
Estados Unidos fue pionero en comunicación cuántica en 2005 y en 2019 destinó ya 1 billón de euros para su desarrollo. A Europa llega en 2008 y en 2019 destina una cantidad similar a la norteamericana, comenzando con las primeras pruebas de satélites cuánticos. En España tenemos la red cuántica de Telefónica e IBM que tiene 11 nodos en diferentes localizaciones de Madrid. No obstante, el líder mundial en comunicación cuántica es China, que desde 2017 desarrolla el programa espacial QUESS y lanza a la órbita terrestre el satélite Micius . Este país cuenta con una red cuántica de 2000 kilómetros entre Xinlong y Shanghai. Otros países como Japón, Canadá, Reino Unido, Suiza o Corea del Sur han trabajado y tienen avances significativos en esta tecnología de la comunicación.
En sus conclusiones, la ponente destacó que la tecnología cuántica tiene un carácter estratégico porque puede influir en la seguridad a nivel geopolítica global. Europa debe tener una posición competitiva para la protección de infraestructuras críticas, gobiernos, ciudadanos y empresas y los estados miembros deben desarrollar sus propias infraestructuras para reforzar la soberanía tecnológica de Europa. Agradece toda la financiación recibida a través de diversos proyectos competitivos en los que participa, nombrándolos a todos, así como a su equipo de trabajo del CSIC.
Por su parte, al final el webinar Amalia Orúe recuerda a los estudiantes de las titulaciones de la Facultad de Ciencia y Tecnología que la Universidad Isabel I tiene un convenio con el CSIC para la tutorización de TFG y TFM, por lo que pueden investigar y participar en proyectos punteros con algunos de los mejores profesionales nacionales.
Sigue todo el webinar.