Autenticación cuántica

La autenticación de identidad cuántica (QIA) tiene como objetivo autenticar a un usuario, dispositivo u otra parte comunicante mediante el aprovechamiento de propiedades cuántico-mecánicas. ^{[ 1 ]} A diferencia de la autenticación clásica , estos protocolos utilizan estados cuánticos durante el proceso de autenticación, lo que permite detectar intentos de espionaje o suplantación de identidad a través de la perturbación introducida por las mediciones cuánticas . ^{[ 13 ]}

Los protocolos QIA pueden proporcionar autenticación unidireccional, en la que una parte autentica a la otra, o autenticación mutua , en la que ambas partes verifican la identidad de la otra. Muchos esquemas se inspiran en la autenticación clásica de desafío-respuesta , adaptándola a los canales de comunicación cuántica. También pueden clasificarse como interactivos o no interactivos según si ambas partes deben intercambiar información activamente durante la fase de autenticación. ^{[ 4 ]}

En la autenticación de mensajes cuánticos (QMA), el objetivo es autenticar la integridad y el origen de la información cuántica enviada a través de un canal cuántico . A diferencia de la autenticación de mensajes clásica, el mensaje en sí es un estado cuántico, que generalmente no se puede copiar debido al teorema de no clonación . ^{[ 14 ]} Por lo tanto, los esquemas de autenticación de mensajes cuánticos combinan la codificación cuántica con una clave secreta compartida , lo que permite al receptor detectar cualquier modificación o manipulación del estado transmitido. ^{[ 3 ]} Si la autenticación falla, el receptor rechaza el mensaje en lugar de intentar recuperarlo. ^{[ 15 ]}

Un resultado fundamental de Barnum et al. demostró que la autenticación de estados cuánticos arbitrarios implica necesariamente su cifrado , lo que significa que un protocolo capaz de detectar manipulaciones también debe ocultar la información cuántica a un adversario; el mismo trabajo también argumentó que las firmas digitales sin restricciones para estados cuánticos desconocidos son imposibles sin supuestos adicionales. ^{[ 7 ]}

Las firmas digitales cuánticas (QDS) son la contraparte cuántica de las firmas digitales clásicas ; están diseñadas para proporcionar autenticidad, integridad y no repudio, ofreciendo seguridad basada en la teoría cuántica en lugar de suposiciones computacionales. ^{[ 16 ]} La mayoría de los protocolos QDS autentican mensajes clásicos utilizando estados cuánticos distribuidos durante una fase de configuración, en lugar de intentar firmar directamente estados cuánticos arbitrarios: esto las distingue de QMA. ^{[ 7 ]}

Un esquema QDS consta de tres máquinas de Turing cuánticas probabilísticas de tiempo polinomial (${\displaystyle G}$,${\displaystyle S}$,${\displaystyle V}$), dónde${\displaystyle G}$es un algoritmo de generación de claves que, en la entrada${\displaystyle 1^{n}}$, genera un par (s, v) que consta de una clave de firma secreta y una clave de verificación pública.${\displaystyle S}$es un algoritmo de firma,${\displaystyle V}$es un algoritmo de verificación tal que para todos los mensajes${\displaystyle m\in \{0,1\}^{n}}$y todos suficientemente grandes${\displaystyle n}$,

${\displaystyle \Pr \left[V(m,S(m,s),v)=1\right]\geq 1-{\frac {1}{\mathrm {poly} (n)}}}$,

donde la probabilidad se toma sobre la aleatoriedad interna (clásica y cuántica) de (${\displaystyle G}$,${\displaystyle S}$,${\displaystyle V}$). ^{[ 8 ]}

Los protocolos de autenticación cuántica se pueden clasificar según la primitiva criptográfica clásica o cuántica en la que se basan. ^{[ 17 ]} Muchos esquemas se derivan de la distribución de claves cuánticas (QKD), reutilizando la codificación conjugada o estados similares a BB84 : en estas construcciones, la autenticación se logra a menudo como una capa adicional sobre el establecimiento de claves, o mediante la incrustación de información de autenticación directamente en los estados cuánticos intercambiados durante el protocolo. ^{[ 18 ]}

Otros enfoques se basan en primitivas alternativas, incluyendo la comunicación directa segura cuántica (QSDC), esquemas basados ​​en teletransportación cuántica , compartición de secretos cuánticos , comparación privada cuántica y transferencia ciega cuántica . ^{[ 19 ]} Cada una de estas primitivas introduce diferentes supuestos estructurales y patrones de comunicación. Por ejemplo, los protocolos de autenticación basados ​​en QSDC a menudo buscan transmitir mensajes autenticados directamente a través de estados cuánticos sin establecer primero una clave secreta compartida, mientras que las construcciones basadas en compartición de secretos distribuyen la información de autenticación entre múltiples partes para prevenir la falsificación o suplantación unilateral. ^{[ 20 ]}

Estas diferentes bases dan lugar a distintas compensaciones en términos de complejidad de la comunicación, uso de canales cuánticos y supuestos de confianza: por ejemplo, los protocolos basados ​​en la teletransportación o la distribución de entrelazamiento pueden ofrecer garantías teóricas más sólidas o una funcionalidad más rica, pero normalmente requieren una infraestructura más exigente, como una distribución de entrelazamiento fiable y la sincronización entre los participantes. ^{[ 21 ]}

Otra clasificación considera los recursos cuánticos físicos necesarios para la ejecución del protocolo. ^{[ 17 ]} Las primeras propuestas de autenticación cuántica frecuentemente se basaban en el entrelazamiento precompartido, especialmente pares de Bell , como un recurso fundamental para establecer correlaciones que no pueden replicarse clásicamente: estos esquemas basados ​​en pares entrelazados a menudo asumen que el entrelazamiento se distribuye de antemano entre las partes legítimas y luego se consume durante la autenticación. ^{[ 22 ]}

Investigaciones posteriores extendieron estas ideas a estructuras de entrelazamiento multipartitas , como los estados de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) , que permiten esquemas de autenticación que involucran a múltiples participantes o procesos de verificación distribuidos. ^{[ 21 ]} Construcciones más sofisticadas también incorporan el intercambio de entrelazamiento , lo que permite entrelazar dinámicamente a partes que nunca han interactuado directamente. ^{[ 23 ]}

En contraste, una amplia familia de protocolos más prácticos evita el entrelazamiento, recurriendo en cambio a implementaciones de fotones individuales o pulsos coherentes débiles, que son significativamente más fáciles de realizar experimentalmente utilizando las tecnologías ópticas existentes. Estos esquemas suelen estar más cerca de las implementaciones de QKD y son más compatibles con la infraestructura de fibra óptica actual. ^{[ 24 ]}

Entre los desarrollos más recientes se incluyen los modelos de autenticación semicuántica, en los que solo una de las partes (normalmente el remitente o la autoridad de confianza) requiere capacidades cuánticas completas, mientras que los demás participantes se limitan a operaciones clásicas como la reflexión, la medición en una base fija o la comunicación clásica. Este enfoque reduce los requisitos de hardware y amplía los posibles escenarios de implementación. ^{[ 25 ]}

Además, nuevas líneas de investigación exploran una contraparte cuántica de las funciones físicas inclonables (PUF), donde los sistemas cuánticos inherentemente ruidosos o complejos sirven como huellas digitales específicas del dispositivo. ^{[ 26 ]} Estos enfoques cuánticos basados ​​en PUF buscan proporcionar mecanismos de autenticación ligeros basados ​​en la unicidad física en lugar de la computación criptográfica. ^{[ 27 ]}

Finalmente, se está explorando la verificación de posición cuántica como una herramienta para la autenticación de identidad. ^{[ 28 ]}

Los protocolos de autenticación cuántica están diseñados para resistir diversos ataques, como la suplantación de identidad, la falsificación de mensajes , los ataques de repetición y los ataques de intermediario . Los ataques de repetición implican la retransmisión de transcripciones de autenticación cuántica o clásica previamente válidas para obtener acceso, mientras que los ataques de intermediario intentan interceptar y modificar las transmisiones cuánticas suplantando la identidad de ambas partes legítimas. Dependiendo del protocolo específico, los atacantes también pueden intentar ataques de sustitución de estado, en los que los estados cuánticos transmitidos se sustituyen por otros preparados fraudulentamente para evitar su detección. ^{[ 31 ]}

Los análisis de seguridad suelen distinguir entre adversarios externos y empleados deshonestos. En este último caso, incluso los participantes legítimos podrían desviarse del protocolo para intentar engañar, lo que complica significativamente las pruebas de seguridad. Por lo tanto, las garantías formales dependen en gran medida del modelo de adversario elegido y de las suposiciones sobre el comportamiento de los participantes. ^{[ 11 ]}

A pesar de basarse en principios de mecánica cuántica, la mayoría de los protocolos de autenticación cuántica requieren supuestos adicionales que van más allá de las leyes de la física. Un requisito común es la existencia de un canal clásico autenticado, que garantiza que los mensajes clásicos intercambiados durante el protocolo no puedan ser manipulados sin ser detectados. Este supuesto también es estándar en la distribución de claves cuánticas y generalmente se aplica mediante códigos de autenticación clásicos o claves precompartidas. ^{[ 2 ]}

Otras suposiciones incluyen la disponibilidad de claves secretas precompartidas o estados cuánticos, fases de inicialización confiables o la presencia de un tercero de confianza responsable de distribuir o verificar el material de autenticación. Algunos protocolos también asumen capacidades cuánticas limitadas para los adversarios o acceso restringido a la memoria cuántica, aunque estas suposiciones generalmente se consideran más sólidas. Estas suposiciones varían ampliamente entre los protocolos, y reducirlas manteniendo sólidas garantías de seguridad sigue siendo un área activa de investigación, particularmente en el contexto de la seguridad componible. ^{[ 11 ]}