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Articulo de referencia

Criptografía cuántica

La criptografía cuántica consiste en el aprovechamiento de propiedades cuántico-mecánicas como el entrelazamiento cuántico, la perturbación de la medición, el teorema de no clon...

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La criptografía cuántica consiste en el aprovechamiento de propiedades cuántico-mecánicas como el entrelazamiento cuántico, la perturbación de la medición, el teorema de no clonación y el principio de superposición para realizar tareas de cifrado . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] El cifrado cuántico desempeña un papel crucial en el procesamiento, almacenamiento y transmisión seguros de la información.

Un aspecto de la criptografía cuántica es la distribución cuántica de claves (QKD), que ofrece una solución teóricamente segura al problema del intercambio de claves . La criptografía cuántica permite completar tareas criptográficas que se consideran imposibles, ya sea mediante comunicación clásica o no cuántica.

Además, la criptografía cuántica permite la autenticación de mensajes , lo que posibilita a las partes legítimas demostrar que los mensajes no fueron interceptados durante la transmisión. [ 4 ] Por lo tanto, en una configuración criptográfica, es imposible copiar , con fidelidad perfecta, los datos cifrados en un estado cuántico . [ 5 ] Si se intenta leer los datos cifrados, el estado cuántico se modificará debido al colapso de la función de onda (teorema de no clonación). Esto podría utilizarse para detectar la interceptación en esquemas de distribución de claves cuánticas (QKD), o en enlaces y redes de comunicación cuántica.

Estas ventajas hacen que la criptografía cuántica sea importante en la era digital, donde los dispositivos están cada vez más interconectados y los ciberataques se han vuelto cada vez más sofisticados. Las propiedades cuántico-mecánicas —más específicamente, la autenticación cuántica— son componentes críticos para el avance de una internet cuántica, ya que establecen mecanismos robustos para garantizar la privacidad e integridad a largo plazo de las comunicaciones y los sistemas digitales. [ 6 ]

Historia

La luz polarizada se transmite a través de un canal cuántico inseguro y Bob la detecta mientras Eve intenta interceptar la comunicación.

A principios de la década de 1970, Stephen Wiesner , entonces en la Universidad de Columbia en Nueva York, introdujo el concepto de codificación cuántica conjugada . Su artículo fundamental titulado "Codificación conjugada" fue rechazado por la Sociedad de Teoría de la Información del IEEE, pero finalmente se publicó en 1983 en SIGACT News . [ 7 ] En este artículo, mostró cómo almacenar o transmitir dos mensajes codificándolos en dos " observables conjugados ", como la polarización lineal y circular de los fotones , [ 8 ] de modo que cualquiera de las propiedades, pero no ambas, pudiera ser recibida y decodificada. No fue hasta que Charles H. Bennett , del Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM , y Gilles Brassard se reunieron en 1979 en el 20.º Simposio del IEEE sobre los Fundamentos de la Informática, celebrado en Puerto Rico, que descubrieron cómo incorporar los hallazgos de Wiesner. "El principal avance se produjo cuando nos dimos cuenta de que los fotones nunca estuvieron destinados a almacenar información, sino a transmitirla". [ 7 ] En 1984, basándose en este trabajo, Bennett y Brassard propusieron un método para la comunicación segura , que ahora se llama BB84 , el primer sistema de distribución de clave cuántica. [ 9 ] [ 10 ] De forma independiente, en 1991 Artur Ekert propuso utilizar las desigualdades de Bell para lograr una distribución de clave segura. [ 11 ] El protocolo de Ekert para la distribución de clave, como demostraron posteriormente Dominic Mayers y Andrew Yao , ofrece una distribución de clave cuántica independiente del dispositivo.

Las empresas que fabrican sistemas de criptografía cuántica incluyen MagiQ Technologies, Inc. (Boston), ID Quantique (Ginebra), QuintessenceLabs (Canberra, Australia), Toshiba (Tokio), QNu Labs (India) y SeQureNet (París).

Ventajas

La criptografía es el eslabón más fuerte en la cadena de seguridad de datos . [ 12 ] Sin embargo, las partes interesadas no pueden asumir que las claves criptográficas permanecerán seguras indefinidamente. [ 13 ] La criptografía cuántica [ 2 ] tiene el potencial de cifrar datos durante períodos más largos que la criptografía clásica. [ 13 ] Utilizando la criptografía clásica, los científicos no pueden garantizar el cifrado más allá de aproximadamente 30 años, pero algunas partes interesadas podrían utilizar períodos de protección más largos. [ 13 ] Tomemos, por ejemplo, la industria de la salud. A partir de 2017, el 85,9 % de los médicos de consultorio utilizan sistemas de registros médicos electrónicos para almacenar y transmitir datos de pacientes. [ 14 ] Según la Ley de Portabilidad y Responsabilidad del Seguro Médico (HIPAA), los registros médicos deben mantenerse en secreto. [ 15 ] La distribución de claves cuánticas puede proteger los registros electrónicos durante períodos de hasta 100 años. [ 13 ] Además, la criptografía cuántica tiene aplicaciones útiles para gobiernos y fuerzas armadas, ya que, históricamente, los gobiernos han mantenido en secreto los datos militares durante períodos de más de 60 años. [ 13 ] También se ha demostrado que la distribución de claves cuánticas puede viajar a través de un canal ruidoso a larga distancia y ser segura. Se puede reducir de un esquema cuántico ruidoso a un esquema clásico sin ruido. Esto se puede resolver con la teoría de la probabilidad clásica. [ 16 ] Este proceso de tener una protección consistente sobre un canal ruidoso es posible mediante la implementación de repetidores cuánticos. Los repetidores cuánticos tienen la capacidad de resolver errores de comunicación cuántica de manera eficiente. Los repetidores cuánticos, que son computadoras cuánticas, se pueden ubicar como segmentos sobre el canal ruidoso para garantizar la seguridad de la comunicación. Los repetidores cuánticos hacen esto purificando los segmentos del canal antes de conectarlos, creando una línea de comunicación segura. Los repetidores cuánticos sub-par pueden proporcionar un nivel eficiente de seguridad a través del canal ruidoso a larga distancia. [ 16 ]

Aplicaciones

La criptografía cuántica es un campo general que abarca una amplia gama de prácticas y protocolos criptográficos. Si bien las técnicas de cifrado son ampliamente reconocidas y comprendidas, persiste un desafío importante en la distribución segura de claves compartidas, a menudo denominada establecimiento o acuerdo de claves. La distribución cuántica de claves (QKD) busca abordar este desafío. A continuación, exploramos diversas metodologías y aplicaciones destacadas que se emplean actualmente en criptografía cuántica.

La aplicación más conocida y desarrollada de la criptografía cuántica es la distribución de claves cuánticas ( QKD ), que consiste en utilizar la comunicación cuántica para establecer una clave compartida entre dos partes (por ejemplo, Alice y Bob) sin que un tercero (Eve) tenga conocimiento de dicha clave, incluso si Eve puede interceptar todas las comunicaciones entre Alice y Bob. Si Eve intenta obtener información sobre la clave que se está estableciendo, surgirán discrepancias que Alice y Bob detectarán. Una vez establecida la clave, se suele utilizar para la comunicación cifrada mediante técnicas clásicas. Por ejemplo, la clave intercambiada podría utilizarse para criptografía simétrica (como la libreta de un solo uso ).

La seguridad de la distribución de claves cuánticas puede demostrarse matemáticamente sin imponer restricciones a las capacidades de un intruso, algo imposible con la distribución de claves clásica. Esto se suele describir como "seguridad incondicional", aunque se requieren algunos supuestos mínimos, como que se apliquen las leyes de la mecánica cuántica y que Alice y Bob puedan autenticarse mutuamente; es decir, Eve no debería poder suplantar la identidad de Alice ni de Bob, ya que de lo contrario sería posible un ataque de intermediario . [ 17 ]

Aunque la QKD es segura, su aplicación práctica enfrenta algunos desafíos. De hecho, existen limitaciones para la tasa de generación de claves a medida que aumentan las distancias de transmisión. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] Estudios recientes han permitido avances importantes en este sentido. En 2018, se propuso el protocolo de QKD de doble campo [ 21 ] como un mecanismo para superar los límites de la comunicación con pérdidas. Se demostró que la tasa del protocolo de doble campo supera la capacidad de acuerdo de clave secreta del canal de comunicación con pérdidas , conocida como límite PLOB sin repetidores, [ 20 ] a 340  km de fibra óptica; su tasa ideal supera este límite ya a 200  km y sigue la escala de tasa-pérdida de la mayor capacidad de acuerdo de clave secreta asistida por repetidores [ 22 ] (ver figura 1 de [ 21 ] y figura 11 de [ 2 ] para más detalles). El protocolo sugiere que se pueden lograr tasas de clave óptimas en "550 kilómetros de fibra óptica estándar ", que ya se utiliza comúnmente en las comunicaciones actuales. El resultado teórico se confirmó en la primera demostración experimental de QKD más allá del límite PLOB, que se ha caracterizado como el primer repetidor cuántico efectivo . [ 23 ] Desarrollos notables en términos de lograr altas tasas a largas distancias son la versión de envío-no-envío (SNS) del protocolo TF-QKD. [ 24 ] [ 25 ] y el esquema de campo gemelo sin postselección de fase. [ 26 ]

Criptografía cuántica desconfiada

En la criptografía desconfiada, las partes participantes no confían entre sí. Por ejemplo, Alice y Bob colaboran para realizar un cálculo en el que ambos introducen datos privados. Sin embargo, Alice no confía en Bob y Bob no confía en Alice. Por lo tanto, una implementación segura de una tarea criptográfica requiere que, tras completar el cálculo, Alice tenga la garantía de que Bob no ha hecho trampa y Bob tenga la garantía de que Alice tampoco la ha hecho. Ejemplos de tareas en criptografía desconfiada son los esquemas de compromiso y los cálculos seguros , incluyendo estos últimos los ejemplos de lanzamiento de moneda y transferencia ciega . La distribución de claves no pertenece al ámbito de la criptografía desconfiada. La criptografía cuántica desconfiada estudia el ámbito de la criptografía desconfiada utilizando sistemas cuánticos .

A diferencia de la distribución de claves cuánticas, donde la seguridad incondicional se puede lograr basándose únicamente en las leyes de la física cuántica , en el caso de diversas tareas de criptografía desconfiada existen teoremas de imposibilidad que demuestran que es imposible lograr protocolos incondicionalmente seguros basados ​​únicamente en las leyes de la física cuántica. Sin embargo, algunas de estas tareas pueden implementarse con seguridad incondicional si los protocolos no solo explotan la mecánica cuántica , sino también la relatividad especial . Por ejemplo, Mayers [ 27 ] y Lo y Chau [28] demostraron la imposibilidad de un compromiso de bits cuánticos incondicionalmente seguro. Lo y Chau [ 29 ] demostraron la imposibilidad de un lanzamiento de moneda cuántico ideal incondicionalmente seguro. Además, Lo demostró que no puede haber protocolos cuánticos incondicionalmente seguros para la transferencia ciega de uno de dos y otros cálculos seguros entre dos partes [ 30 ] . Sin embargo, Kent [ 31 ] [ 32 ] demostró protocolos relativistas incondicionalmente seguros para el lanzamiento de moneda y el compromiso de bits .

lanzamiento de moneda cuántica

Alice decide su base aleatoria y la secuencia de cúbits. Luego, envía los cúbits como fotones a Bob a través del canal cuántico. Bob detecta estos cúbits y registra sus resultados en una tabla. Basándose en la tabla, Bob intenta adivinar qué base utilizó Alice.

A diferencia de la distribución de claves cuánticas, el lanzamiento de moneda cuántica es un protocolo que se utiliza entre dos participantes que no confían entre sí. [ 33 ] Los participantes se comunican a través de un canal cuántico e intercambian información mediante la transmisión de cúbits . [ 34 ] Pero como Alice y Bob no confían entre sí, cada uno espera que el otro haga trampa. Por lo tanto, se debe dedicar un mayor esfuerzo a garantizar que ni Alice ni Bob puedan obtener una ventaja significativa sobre el otro para producir el resultado deseado. La capacidad de influir en un resultado particular se denomina sesgo, y existe un enfoque significativo en el desarrollo de protocolos para reducir el sesgo de un jugador deshonesto, [ 35 ] [ 36 ] también conocido como trampa. Se ha demostrado que los protocolos de comunicación cuántica, incluido el lanzamiento de moneda cuántica, proporcionan ventajas de seguridad significativas sobre la comunicación clásica, aunque pueden considerarse difíciles de implementar en el mundo práctico. [ 33 ]

Un protocolo de lanzamiento de moneda generalmente ocurre así: [ 37 ]

  1. Alice elige una base (ya sea rectilínea o diagonal) y genera una cadena de fotones para enviársela a Bob en esa base.
  2. Bob elige al azar medir cada fotón en una base rectilínea o diagonal, anotando qué base utilizó y el valor medido.
  3. Bob adivina públicamente qué base usó Alice para enviar sus cúbits.
  4. Alice anuncia la base que utilizó y le envía su cadena original a Bob.
  5. Bob lo confirma comparando la cadena de Alice con su tabla. Debería estar perfectamente correlacionada con los valores que Bob midió usando la base de Alice y completamente descorrelacionada con el valor opuesto.

El engaño ocurre cuando un jugador intenta influir o aumentar la probabilidad de un resultado particular. El protocolo desalienta algunas formas de engaño; por ejemplo, Alice podría hacer trampa en el paso 4 afirmando que Bob adivinó incorrectamente su base inicial cuando adivinó correctamente, pero Alice tendría que generar una nueva cadena de cúbits que se correlacione perfectamente con lo que Bob midió en la tabla opuesta. [ 37 ] Su probabilidad de generar una cadena de cúbits coincidente disminuirá exponencialmente con el número de cúbits enviados, y si Bob nota una discrepancia, sabrá que ella mintió. Alice también podría generar una cadena de fotones usando una mezcla de estados, pero Bob vería fácilmente que su cadena se correlacionará parcialmente (pero no completamente) con ambos lados de la tabla, y sabría que hizo trampa en el proceso. [ 37 ] También existe una falla inherente que viene con los dispositivos cuánticos actuales. Los errores y la pérdida de cúbits afectarán las mediciones de Bob, lo que resultará en agujeros en la tabla de medición de Bob. Las pérdidas significativas en las mediciones afectarán la capacidad de Bob para verificar la secuencia de cúbits de Alice en el paso 5.

Una forma teóricamente segura para que Alice haga trampa es utilizar la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) . Dos fotones en un par EPR están anticorrelacionados; es decir, siempre tendrán polarizaciones opuestas, siempre que se midan en la misma base. Alice podría generar una cadena de pares EPR, enviando un fotón por par a Bob y almacenando el otro ella misma. Cuando Bob diga su suposición, ella podría medir los fotones de su par EPR en la base opuesta y obtener una correlación perfecta con la tabla opuesta de Bob. [ 37 ] Bob nunca sabría que hizo trampa. Sin embargo, esto requiere capacidades que la tecnología cuántica actualmente no posee, lo que hace imposible hacerlo en la práctica. Para ejecutar esto con éxito, Alice necesitaría poder almacenar todos los fotones durante un tiempo significativo, así como medirlos con una eficiencia casi perfecta. Esto se debe a que cualquier fotón perdido en el almacenamiento o en la medición resultaría en un hueco en su cadena que tendría que llenar adivinando. Cuantas más conjeturas tenga que hacer, mayor será el riesgo de que Bob la descubra haciendo trampa.

Compromiso cuántico

Además del lanzamiento de moneda cuántica, los protocolos de compromiso cuántico se implementan cuando hay partes que desconfían entre sí. Un esquema de compromiso permite a una parte, Alice, fijar un valor determinado ("comprometerse") de tal manera que Alice no pueda modificarlo, al tiempo que garantiza que el receptor, Bob, no pueda obtener información sobre dicho valor hasta que Alice lo revele. Estos esquemas de compromiso se utilizan comúnmente en protocolos criptográficos (por ejemplo, lanzamiento de moneda cuántica , prueba de conocimiento cero , computación segura entre dos partes y transferencia ciega ).

En el contexto cuántico, serían particularmente útiles: Crépeau y Kilian demostraron que, a partir de un compromiso y un canal cuántico, se puede construir un protocolo incondicionalmente seguro para realizar la denominada transferencia ciega . [ 38 ] Por otro lado, Kilian había demostrado que la transferencia ciega permite la implementación de casi cualquier computación distribuida de forma segura (la denominada computación multipartita segura ). [ 39 ] (Nota: Los resultados de Crépeau y Kilian [ 38 ] [ 39 ] en conjunto no implican directamente que, dado un compromiso y un canal cuántico, se pueda realizar una computación multipartita segura. Esto se debe a que los resultados no garantizan la "componibilidad", es decir, al combinarlos, se podría perder la seguridad).

Se demostró que los primeros protocolos de compromiso cuántico [ 40 ] eran defectuosos. De hecho, Mayers demostró que el compromiso cuántico ( incondicionalmente seguro ) es imposible: un atacante con capacidad computacional ilimitada puede romper cualquier protocolo de compromiso cuántico. [ 27 ]

Sin embargo, el resultado de Mayers no excluye la posibilidad de construir protocolos de compromiso cuántico (y, por lo tanto, protocolos de computación multipartita seguros) bajo supuestos mucho más débiles que los necesarios para los protocolos de compromiso que no utilizan comunicación cuántica. El modelo de almacenamiento cuántico limitado que se describe a continuación es un ejemplo de un entorno en el que la comunicación cuántica puede utilizarse para construir protocolos de compromiso. Un avance en noviembre de 2013 ofrece seguridad de la información "incondicional" mediante el aprovechamiento de la teoría cuántica y la relatividad, lo que se ha demostrado con éxito a escala global por primera vez. [ 41 ] Más recientemente, Wang et al. propusieron otro esquema de compromiso en el que el "ocultamiento incondicional" es perfecto. [ 42 ]

Las funciones físicas no clonables también pueden ser explotadas para la construcción de compromisos criptográficos. [ 43 ]

Modelo de almacenamiento cuántico limitado y ruidoso

Una posibilidad para construir protocolos de compromiso cuántico y transferencia cuántica ciega (OT) incondicionalmente seguros es utilizar el modelo de almacenamiento cuántico limitado (BQSM). En este modelo, se supone que la cantidad de datos cuánticos que un adversario puede almacenar está limitada por una constante conocida Q. Sin embargo, no se impone ningún límite a la cantidad de datos clásicos (es decir, no cuánticos) que el adversario puede almacenar.

En el BQSM, se pueden construir protocolos de transferencia de compromiso y de transferencia ciega. [ 44 ] La idea subyacente es la siguiente: las partes del protocolo intercambian más de Q bits cuánticos ( qubits ). Dado que incluso una parte deshonesta no puede almacenar toda esa información (la memoria cuántica del adversario está limitada a Q qubits), una gran parte de los datos tendrá que ser medida o descartada. Obligar a las partes deshonestas a medir una gran parte de los datos permite que el protocolo eluda el resultado de imposibilidad, y ahora se pueden implementar protocolos de transferencia de compromiso y de transferencia ciega. [ 27 ]

Los protocolos del BQSM presentados por Damgård , Fehr, Salvail y Schaffner [ 44 ] no presuponen que los participantes honestos almacenen información cuántica; los requisitos técnicos son similares a los de los protocolos de distribución de claves cuánticas . Por lo tanto, estos protocolos pueden, al menos en principio, implementarse con la tecnología actual. La complejidad de la comunicación es solo un factor constante mayor que el límite Q de la memoria cuántica del adversario.

La ventaja del BQSM radica en que la suposición de que la memoria cuántica del adversario es limitada resulta bastante realista. Con la tecnología actual, almacenar incluso un solo cúbit de forma fiable durante un tiempo suficientemente prolongado es difícil. (El significado de "suficientemente prolongado" depende de los detalles del protocolo. Al introducir una pausa artificial en el protocolo, el tiempo durante el cual el adversario necesita almacenar datos cuánticos puede hacerse arbitrariamente extenso).

Una extensión del BQSM es el modelo de almacenamiento ruidoso introducido por Wehner , Schaffner y Terhal . [ 45 ] En lugar de considerar un límite superior en el tamaño físico de la memoria cuántica del adversario, se le permite usar dispositivos de almacenamiento cuántico imperfectos de tamaño arbitrario. El nivel de imperfección se modela mediante canales cuánticos ruidosos. Para niveles de ruido suficientemente altos, se pueden lograr las mismas primitivas que en el BQSM [ 46 ] y el BQSM constituye un caso especial del modelo de almacenamiento ruidoso.

En el contexto clásico, se pueden obtener resultados similares al asumir un límite en la cantidad de datos clásicos (no cuánticos) que el adversario puede almacenar. [ 47 ] Sin embargo, se demostró que, incluso en este modelo, las partes honestas deben utilizar una gran cantidad de memoria (concretamente, la raíz cuadrada del límite de memoria del adversario). [ 48 ] Esto hace que estos protocolos sean poco prácticos para límites de memoria realistas. (Cabe señalar que, con la tecnología actual, como los discos duros, un adversario puede almacenar grandes cantidades de datos clásicos a bajo costo).

Criptografía cuántica basada en la posición

El objetivo de la criptografía cuántica basada en la posición es utilizar la ubicación geográfica de un jugador como su (única) credencial. Por ejemplo, se quiere enviar un mensaje a un jugador en una posición específica con la garantía de que solo se puede leer si el receptor se encuentra en esa posición particular. En la tarea básica de verificación de posición , un jugador, Alice, quiere convencer a los verificadores (honestos) de que se encuentra en un punto particular. Chandran et al. han demostrado que la verificación de posición utilizando protocolos clásicos es imposible contra adversarios coludidos (que controlan todas las posiciones excepto la posición declarada por el probador). [ 49 ] Bajo diversas restricciones a los adversarios, son posibles esquemas.

Bajo el nombre de "etiquetado cuántico", Kent investigó los primeros esquemas cuánticos basados ​​en la posición en 2002. Se concedió una patente estadounidense [ 50 ] en 2006. La noción de utilizar efectos cuánticos para la verificación de la ubicación apareció por primera vez en la literatura científica en 2010. [ 51 ] [ 52 ] Después de que se sugirieran varios otros protocolos cuánticos para la verificación de la posición en 2010, [ 53 ] [ 54 ] Buhrman et al. afirmaron un resultado de imposibilidad general: [ 55 ] utilizando una enorme cantidad de entrelazamiento cuántico (usan un número doblemente exponencial de pares EPR , en el número de cúbits en los que opera el jugador honesto), los adversarios coludidos siempre pueden hacer que parezca a los verificadores como si estuvieran en la posición declarada. Sin embargo, este resultado no excluye la posibilidad de esquemas prácticos en el modelo de almacenamiento cuántico limitado o ruidoso (ver más arriba). Más tarde, Beigi y König mejoraron la cantidad de pares EPR necesarios en el ataque general contra los protocolos de verificación de posición a exponencial. También demostraron que un protocolo particular permanece seguro contra adversarios que controlan solo una cantidad lineal de pares EPR. [ 56 ] En [ 57 ] se argumenta que debido al acoplamiento tiempo-energía la posibilidad de verificación de ubicación formal incondicional a través de efectos cuánticos sigue siendo un problema abierto. El estudio de la criptografía cuántica basada en la posición también tiene conexiones con el protocolo de teletransportación cuántica basada en puertos, que es una versión más avanzada de la teletransportación cuántica , donde muchos pares EPR se utilizan simultáneamente como puertos.

Criptografía cuántica independiente del dispositivo

Un protocolo criptográfico cuántico es independiente del dispositivo si su seguridad no depende de confiar en que los dispositivos cuánticos utilizados sean veraces. Por lo tanto, el análisis de seguridad de dicho protocolo debe considerar escenarios de dispositivos imperfectos o incluso maliciosos. [ 58 ] Mayers y Yao [ 59 ] propusieron la idea de diseñar protocolos cuánticos utilizando aparatos cuánticos de "autocomprobación", cuyas operaciones internas pueden determinarse de forma única mediante sus estadísticas de entrada-salida. Posteriormente, Roger Colbeck en su tesis [ 60 ] propuso el uso de pruebas de Bell para comprobar la honestidad de los dispositivos. Desde entonces, se ha demostrado que varios problemas admiten protocolos incondicionalmente seguros e independientes del dispositivo, incluso cuando los dispositivos reales que realizan la prueba de Bell son sustancialmente "ruidosos", es decir, lejos de ser ideales. Estos problemas incluyen la distribución de claves cuánticas , [ 61 ] [ 62 ] la expansión de aleatoriedad , [ 62 ] [ 63 ] y la amplificación de aleatoriedad . [ 64 ]

En 2018, estudios teóricos realizados por Arnon-Friedman et al. sugieren que explotar una propiedad de la entropía que más tarde se denomina "Teorema de Acumulación de Entropía (EAT)", una extensión de la propiedad de equipartición asintótica , puede garantizar la seguridad de un protocolo independiente del dispositivo. [ 65 ]

Criptografía postcuántica

Las computadoras cuánticas relevantes para la criptografía podrían convertirse en una realidad tecnológica; por lo tanto, es importante estudiar los esquemas criptográficos utilizados contra adversarios con acceso a una computadora cuántica. El estudio de dichos esquemas se conoce a menudo como criptografía postcuántica . La necesidad de la criptografía postcuántica surge del hecho de que muchos esquemas populares de cifrado y firma, principalmente los basados ​​en ECC y RSA , pueden ser vulnerados utilizando el algoritmo de Shor para factorizar y calcular logaritmos discretos en una computadora cuántica. Ejemplos de esquemas que, según el conocimiento actual, son seguros contra adversarios cuánticos son los esquemas de McEliece y los basados ​​en retículos , así como la mayoría de los algoritmos de clave simétrica . [ 66 ] [ 67 ] Existen estudios sobre criptografía postcuántica. [ 68 ] [ 69 ]

Se realizó una investigación adicional sobre cómo modificar las técnicas criptográficas existentes para poder hacer frente a adversarios cuánticos. Por ejemplo, al intentar desarrollar sistemas de prueba de conocimiento cero que sean seguros frente a adversarios cuánticos, es necesario utilizar nuevas técnicas: en un entorno clásico, el análisis de un sistema de prueba de conocimiento cero generalmente implica el "rebobinado", una técnica que requiere copiar el estado interno del adversario. En un entorno cuántico, copiar un estado no siempre es posible (teorema de no clonación); se debe utilizar una variante de la técnica de rebobinado. [ 70 ]

Los algoritmos post-cuánticos también se denominan "resistentes a la computación cuántica", porque, a diferencia de la distribución de claves cuánticas, no se sabe ni se puede demostrar que no habrá posibles ataques cuánticos futuros contra ellos. Aunque posiblemente sean vulnerables a ataques cuánticos en el futuro, la NSA está anunciando planes para la transición a algoritmos resistentes a la computación cuántica. [ 71 ] El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología ( NIST ) cree que es hora de pensar en primitivas seguras frente a la computación cuántica. [ 72 ]

Criptografía cuántica más allá de la distribución de claves

Hasta ahora, la criptografía cuántica se ha identificado principalmente con el desarrollo de protocolos de distribución de claves cuánticas. Los criptosistemas simétricos con claves distribuidas mediante distribución de claves cuánticas resultan ineficientes para redes grandes (con muchos usuarios), debido a la necesidad de establecer y manipular múltiples pares de claves secretas (el llamado "problema de gestión de claves"). Además, esta distribución por sí sola no aborda muchas otras tareas y funciones criptográficas de vital importancia en la vida cotidiana. El protocolo de tres etapas de Kak se ha propuesto como un método de comunicación segura totalmente cuántico, a diferencia de la distribución de claves cuánticas, en la que la transformación criptográfica utiliza algoritmos clásicos. [ 73 ]

Además del compromiso cuántico y la transferencia ciega (discutidos anteriormente), la investigación sobre criptografía cuántica más allá de la distribución de claves gira en torno a la autenticación de mensajes cuánticos , [ 74 ] firmas digitales cuánticas, [ 75 ] [ 76 ] funciones cuánticas unidireccionales y cifrado de clave pública, [ 77 ] [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ] [ 81 ] [ 82 ] [ 83 ] intercambio de claves cuánticas, [ 84 ] huellas digitales cuánticas [ 85 ] y autenticación de entidades [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ] (por ejemplo, véase Lectura cuántica de PUF ), etc.

Protocolo Y-00

HP Yuen presentó Y-00 como un cifrador de flujo que utiliza ruido cuántico alrededor del año 2000 y lo aplicó para el Proyecto de Criptografía Cuántica de Alta Velocidad y Alta Capacidad de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. ( DARPA ) como una alternativa a la distribución de claves cuánticas. [ 89 ] [ 90 ] El artículo de revisión lo resume bien. [ 91 ]

A diferencia de los protocolos de distribución de claves cuánticas, el propósito principal de Y-00 es transmitir un mensaje sin vigilancia de escuchas, no distribuir una clave. Por lo tanto, la amplificación de la privacidad puede usarse solo para distribuciones de claves. [ 92 ] Actualmente, la investigación se está llevando a cabo principalmente en Japón y China: p. ej. [ 93 ] [ 94 ]

El principio de funcionamiento es el siguiente. Primero, los usuarios legítimos comparten una clave y la transforman en una secuencia de claves pseudoaleatorias utilizando el mismo generador de números pseudoaleatorios. Luego, las partes legítimas pueden realizar comunicaciones ópticas convencionales basadas en la clave compartida, transformándola adecuadamente. Para los atacantes que no comparten la clave, se implementa el modelo de canal de escucha de Aaron D. Wyner . La ventaja de los usuarios legítimos basada en la clave compartida se denomina "creación de ventaja". El objetivo es lograr una comunicación encubierta más prolongada que el límite de seguridad de la teoría de la información ( clave de un solo uso ) establecido por Shannon. [ 95 ] La fuente del ruido en el canal de escucha mencionado anteriormente es el principio de incertidumbre del propio campo electromagnético, que es una consecuencia teórica de la teoría del láser descrita por Roy J. Glauber y EC George Sudarshan ( estado coherente ). [ 96 ] [ 97 ] [ 98 ] Por lo tanto, las tecnologías de comunicación óptica existentes son suficientes para la implementación que describen algunas revisiones: p. ej. [ 91 ] Además, dado que utiliza luz láser de comunicación ordinaria, es compatible con la infraestructura de comunicación existente y puede utilizarse para comunicación y enrutamiento de alta velocidad y larga distancia. [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ] [ 102 ] [ 103 ]

Aunque el objetivo principal del protocolo es transmitir el mensaje, la distribución de claves es posible simplemente reemplazando el mensaje por una clave. [ 104 ] [ 92 ] Dado que es un cifrado de clave simétrica, debe compartir la clave inicial previamente; sin embargo, también se propuso un método para el acuerdo de clave inicial. [ 105 ]

Por otro lado, actualmente no está claro qué implementación logra la seguridad desde el punto de vista de la teoría de la información , y la seguridad de este protocolo ha sido durante mucho tiempo objeto de debate. [ 106 ] [ 107 ] [ 108 ] [ 109 ] [ 110 ] [ 111 ] [ 112 ] [ 113 ] [ 114 ] [ 115 ]

Implementación en la práctica

En teoría, la criptografía cuántica parece ser un punto de inflexión exitoso en el sector de la seguridad de la información . Sin embargo, ningún método criptográfico puede ser absolutamente seguro. [ 116 ] En la práctica, la criptografía cuántica solo es condicionalmente segura, dependiendo de un conjunto clave de supuestos. [ 117 ]

Suposición de fuente de fotón único

La base teórica para la distribución de claves cuánticas asume el uso de fuentes de fotones individuales. Sin embargo, dichas fuentes son difíciles de construir, y la mayoría de los sistemas de criptografía cuántica del mundo real utilizan fuentes láser débiles como medio para la transferencia de información. [ 117 ] Estas fuentes de fotones múltiples abren la posibilidad de ataques de intrusos, en particular un ataque de división de fotones. [ 118 ] Un intruso, Eve, puede dividir la fuente de fotones múltiples y retener una copia para sí mismo. [ 118 ] Los otros fotones se transmiten entonces a Bob sin ninguna medición ni rastro de que Eve haya capturado una copia de los datos. [ 118 ] Los científicos creen que pueden mantener la seguridad con una fuente de fotones múltiples utilizando estados señuelo que prueban la presencia de un intruso. [ 118 ] Sin embargo, en 2016, los científicos desarrollaron una fuente de fotones individuales casi perfecta y estiman que podría desarrollarse una en un futuro próximo. [ 119 ]

Suposición de eficiencia idéntica del detector

En la práctica, se utilizan múltiples detectores de fotones individuales en dispositivos de distribución de claves cuánticas, uno para Alice y otro para Bob. [ 117 ] Estos fotodetectores están sintonizados para detectar un fotón entrante durante una ventana corta de solo unos pocos nanosegundos. [ 120 ] Debido a las diferencias de fabricación entre los dos detectores, sus respectivas ventanas de detección estarán desplazadas en una cantidad finita. [ 120 ] Un espía, Eve, puede aprovechar esta ineficiencia del detector midiendo el cúbit de Alice y enviando un "estado falso" a Bob. [ 120 ] Eve primero captura el fotón enviado por Alice y luego genera otro fotón para enviar a Bob. [ 120 ] Eve manipula la fase y el tiempo del fotón "falsificado" de manera que impide que Bob detecte la presencia de un espía. [ 120 ] La única forma de eliminar esta vulnerabilidad es eliminar las diferencias en la eficiencia del fotodetector, lo cual es difícil de hacer dadas las tolerancias de fabricación finitas que causan diferencias en la longitud del camino óptico, diferencias en la longitud del cable y otros defectos. [ 120 ]

Retirada de la distribución de claves cuánticas por parte de las instituciones gubernamentales

Dadas las dificultades prácticas que se plantean a continuación, varias organizaciones recomiendan utilizar la "criptografía postcuántica (o criptografía resistente a la computación cuántica)" en lugar de la distribución de claves cuánticas.

  1. Agencia de Seguridad Nacional de EE. UU. , [ 121 ]
  2. Agencia de la Unión Europea para la Ciberseguridad de la UE (ENISA), [ 122 ]
  3. Centro Nacional de Ciberseguridad del Reino Unido , [ 123 ]
  4. Secretaría de Defensa y Seguridad de Francia (ANSSI), [ 124 ]
  5. Oficina Federal Alemana de Seguridad de la Información (BSI) [ 125 ]
  6. El TEA de Australia [ 126 ]
  7. Agencia Nacional de Seguridad de las Comunicaciones de los Países Bajos (NLNCSA)
  8. y la Autoridad Nacional de Seguridad de las Comunicaciones de Suecia, Fuerzas Armadas de Suecia [ 127 ] Por ejemplo, la Agencia de Seguridad Nacional de EE. UU. aborda cinco cuestiones: [ 121 ]
  • La distribución de claves cuánticas (QKD) es solo una solución parcial. La QKD genera material de clave para un algoritmo de cifrado que proporciona confidencialidad. Este material de clave también podría utilizarse en algoritmos criptográficos de clave simétrica para garantizar la integridad y la autenticación, siempre que se tenga la seguridad criptográfica de que la transmisión QKD original proviene de la entidad deseada (es decir, autenticación de la fuente de la entidad). La QKD no proporciona un medio para autenticar la fuente de la transmisión QKD. Por lo tanto, la autenticación de la fuente requiere el uso de criptografía asimétrica o claves predefinidas. Además, los servicios de confidencialidad que ofrece la QKD pueden proporcionarse mediante criptografía resistente a la computación cuántica, que suele ser menos costosa y presenta un perfil de riesgo mejor definido.
  • La distribución de claves cuánticas requiere equipos especializados. Se basa en propiedades físicas y su seguridad reside en comunicaciones únicas en la capa física. Esto exige que los usuarios alquilen conexiones de fibra dedicadas o gestionen físicamente transmisores en el espacio libre. No puede implementarse mediante software ni como servicio en una red, y su integración con los equipos de red existentes es compleja. Dado que se basa en hardware, carece de flexibilidad para actualizaciones o parches de seguridad.
  • La distribución de claves cuánticas incrementa los costos de infraestructura y los riesgos de amenazas internas. Las redes QKD suelen requerir el uso de repetidores de confianza, lo que implica costos adicionales para instalaciones seguras y un mayor riesgo de seguridad por amenazas internas. Esto descarta muchos casos de uso.
  • Garantizar la seguridad y la validación de la distribución de claves cuánticas (QKD) representa un desafío considerable. La seguridad real que proporciona un sistema QKD no es la seguridad teórica incondicional derivada de las leyes de la física (como se modela y se suele sugerir), sino más bien la seguridad limitada que se puede lograr mediante el diseño de hardware e ingeniería. Sin embargo, la tolerancia al error en la seguridad criptográfica es mucho menor que la disponible en la mayoría de los escenarios de ingeniería física, lo que dificulta enormemente su validación. El hardware específico utilizado para implementar QKD puede introducir vulnerabilidades, lo que ha dado lugar a varios ataques ampliamente conocidos contra sistemas QKD comerciales. [ 128 ]
  • La distribución de claves cuánticas aumenta el riesgo de denegación de servicio. La vulnerabilidad a la interceptación de comunicaciones, como base teórica de las afirmaciones de seguridad de la distribución de claves cuánticas, también demuestra que la denegación de servicio representa un riesgo significativo para este tipo de distribución.

En respuesta al problema 1 anterior, se han propuesto en todo el mundo intentos de entregar claves de autenticación utilizando criptografía postcuántica (o criptografía resistente a la computación cuántica). Por otro lado, la criptografía resistente a la computación cuántica pertenece a la clase de seguridad computacional. En 2015, ya se publicó un resultado de investigación que indicaba que "se debe tener suficiente cuidado en la implementación para lograr la seguridad teórica de la información para el sistema en su conjunto cuando se utilizan claves de autenticación que no son seguras desde el punto de vista de la teoría de la información" (si la clave de autenticación no es segura desde el punto de vista de la teoría de la información, un atacante puede romperla para controlar todas las comunicaciones clásicas y cuánticas y retransmitirlas para lanzar un ataque de intermediario ). [ 129 ] Ericsson, una empresa privada, también cita y señala los problemas anteriores y luego presenta un informe que indica que podría no ser capaz de soportar el modelo de seguridad de confianza cero , que es una tendencia reciente en la tecnología de seguridad de redes. [ 130 ]

Criptografía cuántica en la educación

La criptografía cuántica, en particular el protocolo BB84, se ha convertido en un tema importante en la enseñanza de la física y la informática. El reto de enseñar criptografía cuántica reside en los requisitos técnicos y la complejidad conceptual de la mecánica cuántica. Sin embargo, cada vez son más comunes las configuraciones experimentales simplificadas con fines educativos [ 131 ] , lo que permite a los estudiantes de pregrado familiarizarse con los principios fundamentales de la distribución de claves cuánticas (QKD) sin necesidad de tecnología cuántica avanzada.

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