¿El nacimiento de la criptografía cuántica significa el fin de los hackers?
Cómo funciona la criptografía cuántica en teoría
Teóricamente, la criptografía cuántica funciona del siguiente modo (esta visión es el modo tradicional desarrollado por Bennett y Brassard en 1984, también existen otros modos):
Supongamos que dos personas quieren intercambiar información de forma segura, sus nombres son Alice y Bob. Alice inicializa el mensaje enviándole a Bob una clave, que puede ser un patrón para cifrar el mensaje de datos. Es una secuencia aleatoria de bits que se envía según un patrón determinado. Se puede considerar que dos valores iniciales diferentes representan un bit binario específico (0 o 1).
Asumimos que este valor clave es un flujo de fotones transmitido unidireccional y que cada partícula de fotón representa un bit de datos (0 o 1). Además de viajar en línea recta, todos los fotones vibran de alguna manera. Estas vibraciones ocurren a lo largo de cualquier eje dentro de 360 grados del espacio. En aras de la simplicidad (al menos en criptografía cuántica), dividimos estas vibraciones en cuatro estados específicos: arriba, abajo, izquierda, derecha, izquierda, derecha, izquierda, con el ángulo de vibración a lo largo de los polos del fotón. Ahora agregamos un polarizador a este complejo. Un polarizador es un filtro óptico simple que permite que los átomos en un cierto estado vibratorio pasen sin cambios, permitiendo que otros átomos pasen después de cambiar su estado vibratorio (también puede bloquear completamente el paso de fotones, pero lo ignoraremos aquí) esto propiedad). Alice tiene un polarizador que permite el paso de fotones en estos cuatro estados. De hecho, puede optar por filtrar en línea recta (arriba, abajo, izquierda, derecha) o en diagonal (izquierda, derecha, derecha, izquierda).
Alice cambia sus patrones vibratorios entre rectos y diagonales para filtrar fotones individuales transmitidos aleatoriamente. En este caso, un solo bit está representado por uno de dos modos de vibración, un 1 o un 0.
Al recibir fotones, Bob debe usar un polarizador lineal o diagonal para medir cada bit de fotón. Puede elegir el ángulo de polarización correcto o puede cometer un error. Dado que Alice elige los polarizadores de manera muy casual, ¿qué pasará con los fotones si elige el polarizador equivocado?
El principio de incertidumbre de Heisenberg establece que no podemos estar seguros de lo que le sucede a cada fotón individual porque cambiamos sus propiedades cuando medimos su comportamiento (si queremos medir dos propiedades, medir una excluye nuestro derecho a cuantificar las otro). Sin embargo, podemos estimar lo que pasó con este grupo. Cuando Bob mide fotones superior izquierdo/inferior derecho y superior derecho/inferior izquierdo (diagonal) con un iluminador lateral lineal, estos fotones cambian de estado a medida que pasan a través del polarizador, y la mitad de ellos cambia a un modo de vibración hacia arriba y hacia abajo y la otra mitad a un modo izquierda-derecha. Pero no podemos estar seguros de en qué estado llegará un solo fotón (por supuesto, en aplicaciones prácticas, algunos fotones quedarán bloqueados, pero esto tiene poco que ver con esta teoría).
Bob puede tener razón o no al medir el fotón. Como puede verse, Alice y Bob han creado un canal de comunicación no seguro que otros pueden escuchar. Luego, Alice le dice a Bob qué polarizador usó para enviar el fotón, no cómo polarizó el fotón. Podría decir que el fotón 8597 se envía en un patrón de línea recta (teóricamente), pero no dirá que se envía hacia arriba, hacia abajo, hacia la izquierda y hacia la derecha. Bob, esto es para determinar si está recibiendo cada fotón con el polarizador correcto. Luego, Alice y Bob descartaron todos los fotones que midió con el polarizador incorrecto.
Lo que tienen es una secuencia de 0 y 1, y la longitud transmitida es la mitad de la longitud original. Pero esto forma la base de la teoría del one-time pad (OTP), es decir, que una vez implementado correctamente, se considera un criptosistema completamente arbitrario y seguro.
Ahora, supongamos que una oyente, Eva, está intentando escuchar a escondidas el mensaje. Tiene el mismo polarizador que Bob y necesita elegir entre filtrado de fotones lineal o diagonal. Sin embargo, se enfrenta al mismo problema que Bob y existe la mitad de posibilidades de elegir el polarizador equivocado. Bob tiene la ventaja de que puede confirmar con Alice el tipo de polarizador utilizado. Eve no pudo evitarlo. La mitad de las posibilidades es que haya elegido el detector equivocado, malinterpretando la información del fotón para formar la clave final, volviéndolo inútil.
Y la criptografía cuántica también tiene un nivel de seguridad inherente, que es la detección de intrusiones. Alice y Bob sabrán si Eve los está escuchando. El hecho de que Eve esté en el circuito fotónico es fácil de detectar por las siguientes razones:
Asumimos que Alice transmite el fotón número 349 a Bob en la dirección superior derecha/inferior izquierda, pero en este momento Eve está Usando un polarizador lineal, solo se pueden medir con precisión los tipos de fotones arriba y abajo o izquierda y derecha. Si Bob hubiera usado un polarizador lineal, no importaría porque habría descartado el fotón de la clave final. Pero si Bob usa un polarizador diagonal, surge un problema. Según la teoría de la incertidumbre de Heisenberg, puede realizar una medición correcta o puede realizar una medición incorrecta. Eve usó el polarizador incorrecto para cambiar el estado del fotón, e incluso si Bob usó el polarizador correcto, podría estar equivocado.
Una vez descubierto el mal comportamiento de Eve, deberán seguir los pasos anteriores para obtener una secuencia de claves única compuesta por 0 y 1, que provocará un conflicto a menos que haya sido robada. En este punto, tomarán medidas adicionales para verificar la validez del valor clave. Comparar el último valor clave de un número binario en un canal no seguro es estúpido e innecesario.
Supongamos que la clave final contiene 4000 dígitos binarios. Lo que Alice y Bob deben hacer es seleccionar aleatoriamente un subconjunto de estos números, 200 números, y compararlos según dos estados (números digitales 2, 34, 65, 911, etc.). ) y estado digital (0 o 1). Si todos coinciden, si ella está escuchando, la probabilidad de no ser descubierto es de una entre un billón, lo que significa que es imposible no ser descubierto. Alice y Bob dejarán de usar este valor clave cuando descubran que alguien está escuchando y reiniciarán el intercambio de valores clave en un canal seguro al que Eve no puede acceder. Por supuesto, todas las actividades de comparación anteriores se pueden llevar a cabo en canales inseguros. Si Alice y Bob infieren que su valor clave es seguro porque lo probaron con 200 bits, esos 200 bits se descartarán del último valor clave y los 4000 bits se convertirán en 3800 bits.
Por lo tanto, la criptografía cuántica es una forma relativamente fácil y conveniente de conectar intercambios de clave-valor en criptografía de clave-valor público.
Cómo funciona en la práctica
En la práctica, la criptografía cuántica se ha demostrado en los laboratorios de IBM, pero sólo funciona en distancias relativamente cortas. Recientemente, cables de fibra óptica con propiedades ópticas extremadamente puras han transmitido con éxito fotones a largas distancias a distancias de hasta 60 kilómetros. Sólo las BER (tasas de error), que están estrechamente relacionadas con el principio de incertidumbre de Heisenberg y rastrean impurezas en las fibras ópticas, hacen que el sistema sea inestable. Aunque existen estudios sobre la transmisión aérea exitosa, en condiciones climáticas ideales, la distancia de transmisión sigue siendo muy corta. La aplicación de la criptografía cuántica requiere un mayor desarrollo de nuevas tecnologías para aumentar la distancia de transmisión.
En Estados Unidos, existe una línea dedicada para aplicaciones prácticas entre la Casa Blanca y el Pentágono en Washington, D.C. También conecta con importantes instalaciones militares, sistemas de defensa y laboratorios de investigación cercanos. A partir de 2003, id Quantique en Ginebra y MagiQ Technologies en Nueva York lanzaron productos comerciales que transmiten claves cuánticas de más de 30 cm en los experimentos de Bennett. Después de demostrar una distancia de transmisión récord de 150 km, NEC lanzará el producto al mercado el próximo año. IBM, Fujitsu, Toshiba y otras empresas también están realizando activamente actividades de investigación y desarrollo. Los productos actualmente en el mercado pueden transmitir claves a lo largo de decenas de kilómetros a través de fibra óptica.
El futuro de la criptografía cuántica
Además de la codificación inicial que utiliza las características de polarización de los fotones, ha surgido un nuevo método de codificación: la codificación que utiliza la fase de los fotones. En comparación con la codificación de polarización, la ventaja de la codificación de fase es que tiene menores requisitos en cuanto al estado de polarización.
Para que esta tecnología sea operativa, generalmente se requieren los siguientes procedimientos: transmitir información cuántica en tierra - enviar señales cuánticas a través de la atmósfera - recibir señales de satélites y reenviarlas a objetivos receptores que caminan alrededor del mundo. Un desafío con esta tecnología es que las moléculas de aire en la estación atmosférica dispararán los cuantos uno por uno en todas direcciones, lo que dificultará su absorción por el satélite designado.
Además, esta tecnología también se enfrenta al desafío del "cifrado a baja temperatura, no se puede garantizar la velocidad de cifrado". Los secretos y el robo de secretos van de la mano como una lanza y un escudo. La lucha entre ellos se ha prolongado durante miles de años. En teoría, la aparición de la criptografía cuántica ha puesto fin a esta lucha y, con suerte, será el verdadero finalizador.
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Actualmente transmitimos rápidamente grandes cantidades de datos de forma estable a través de fibra óptica. Pero, de hecho, tenemos otra opción, que es transmitir datos directamente con haces de luz en lugar de a través de fibras ópticas. Pero la confidencialidad de los datos es muy importante. Cómo transmitir datos de forma segura se ha convertido en una ciencia. Se trata de la llamada "criptografía cuántica".
La base teórica de la criptografía cuántica es la mecánica cuántica, que se diferencia de la base teórica anterior de la criptografía matemática. Si se utiliza criptografía cuántica para transmitir datos, los datos no se pueden recuperar ni insertar arbitrariamente en otro dato malicioso, y el flujo de datos se codifica y decodifica de forma segura. La herramienta para codificar y decodificar es una secuencia aleatoria (cadena de bits), que también puede denominarse clave. El contenido central de la investigación actual sobre criptografía cuántica es cómo utilizar la tecnología cuántica para distribuir claves de forma segura y confiable en canales cuánticos.
A diferencia de la criptografía tradicional, la criptografía cuántica utiliza principios físicos para proteger la información. El método de "utilizar la tecnología cuántica como portador de información, transmitir a través de canales cuánticos y establecer una clave compartida por usuarios legítimos" se denomina generalmente distribución de clave cuántica (QKD). Su seguridad está determinada por el principio de incertidumbre de Heisenberg y garantizada por el cuanto único. teorema de no replicación.
El principio de incertidumbre transversal de Heisenberg es un principio básico de la mecánica cuántica, que establece que un observador no puede medir con precisión la posición y el momento de un objeto transversalmente al mismo tiempo. El "teorema de no replicación cuántica única" es un corolario del principio de incertidumbre de Heisenberg, lo que significa que es imposible copiar un cuanto único sin conocer el estado cuántico, porque para copiar un cuanto único, sólo se puede medir primero, y la medición inevitablemente cambiará el estado cuántico.
Si la clave se crea mediante criptografía cuántica, la clave no se puede copiar, por lo que es absolutamente segura. Si, lamentablemente, es atrapado por un pirata informático, robará datos sin sentido porque el estado cuántico cambiará durante el proceso de medición.
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