Los principios fundamentales de la física cuántica, en concreto el principio de incertidumbre, sientan las bases de la criptografía cuántica. Dado que las capacidades previstas de las futuras computadoras cuánticas incluyen métodos criptográficos ampliamente utilizados como AES, RSA y DES, la criptografía cuántica surge como una solución prometedora. En la práctica, se emplea para crear una secuencia de bits compartida, secreta y aleatoria que facilita la comunicación entre dos sistemas, como Alice y Bob. Este proceso, conocido como Distribución de Claves Cuánticas, establece una clave segura entre Alice y Bob, lo que permite el intercambio posterior de información mediante métodos criptográficos establecidos.
Por el principio de incertidumbre de Heisenberg
Protocolo BB84
Un pulso de fotón único se polariza al pasar por un polarizador. Alice emplea un polarizador específico para polarizar el pulso de fotón único, codificando bits binarios según el tipo de polarizador del resultado (vertical, horizontal, circular, etc.). Al recibir el haz de fotones, Bob intenta adivinar el polarizador utilizado por Alice, alineando los casos para evaluar la precisión de sus suposiciones. Si Eva intentase espiar, la interferencia de su polarizador causaría discrepancias en los casos coincidentes entre Bob y Alice, lo que indicaría una posible espionaje. En consecuencia, cualquier espionaje por parte de Eve sería detectado por Alice y Bob en este sistema.
- El protocolo B92 utiliza solo dos estados de polarización, a diferencia del BB84 original, que emplea cuatro estados.
- BB84 también cuenta con un protocolo similar, SSP, que utiliza seis estados para la codificación de bits.
- Otro protocolo, SARG04, emplea láseres atenuados y demuestra un rendimiento superior en comparación con BB84 en sistemas que involucran más de un fotón.
Por entrelazamiento cuántico
Protocolo E91: Una sola fuente emite un par de fotones entrelazados, y cada partícula es recibida por Alice y Bob. Al igual que en el esquema BB84, Alice y Bob intercambian bits codificados y comparan los casos de cada fotón transferido. Sin embargo, en este escenario, los resultados de los casos coincidentes entre Alice y Bob serán opuestos debido al principio de entrelazamiento. En consecuencia, poseerán bits complementarios en sus cadenas de bits interpretadas. Para establecer una clave, uno de ellos puede invertir los bits. La ausencia de intrusos puede confirmarse mediante una prueba, ya que la desigualdad de Bell no debería ser válida para partículas entrelazadas. Dada la imposibilidad de tener un tercer fotón entrelazado con niveles de energía suficientes para la no detección, este sistema se considera completamente seguro.
- Los modelos de los protocolos SARG04 y SSP pueden ampliarse para incorporar la teoría de partículas entrelazadas.
Ataques que posiblemente puedan afectar la criptografía cuántica
-
Ataque de división del número de fotones (PNS)
Como no es posible enviar un solo fotón, se transmite un pulso. Eva tiene la oportunidad de capturar algunos fotones del pulso. Después de que Alice y Bob emparejen los bits, Eva puede usar el mismo polarizador que Bob para obtener la clave sin ser detectada.
-
Ataque de Estado falso
Eve usa un duplicado del detector de fotones de Bob, interceptando los fotones asignados a él y transmitiéndoselos. A pesar de que Eve conoce el fragmento codificado, Bob cree haberlo recibido directamente de Alice.
Explicación de la criptografía cuántica
La criptografía cuántica es un campo único que aprovecha los principios de la mecánica cuántica para proteger las comunicaciones. A diferencia de la criptografía clásica, que se basa en la complejidad matemática de los problemas, la criptografía cuántica utiliza las propiedades inherentes de la mecánica cuántica para lograr un nivel de seguridad teóricamente invulnerable ante ciertos ataques. Se emplean dos protocolos principales en la criptografía cuántica: Distribución de clave cuántica (QKD) más antigua y Comunicación directa segura cuántica (QSDC).
A continuación se muestra un desglose simplificado de QKD:
-
Superposición
La QKD utiliza el concepto de superposición, donde un sistema cuántico puede existir en múltiples estados simultáneamente.
-
Polarización de fotones
En QKD, la información a menudo se codifica en los estados de polarización de fotones individuales (partículas de luz).
-
Principio de incertidumbre de Heisenberg
Este principio establece que ciertos pares de propiedades, como la posición y el momento de una partícula, no pueden medirse con precisión simultáneamente.
-
Entrelazamiento cuántico
El entrelazamiento es un elemento crucial en QKD, donde dos partículas se vinculan y comparten el mismo destino, independientemente de la distancia.
Proceso QKD
Alice (emisora) transmite un flujo de fotones entrelazados a Bob (receptor). La información está codificada en los estados de polarización de estos fotones.
Bob mide los qubits (bits cuánticos) utilizando bases elegidas aleatoriamente (por ejemplo, vertical/horizontal o diagonal/antidiagonal).
Alice y Bob comunican abiertamente las bases utilizadas para cada qubit sin revelar los resultados reales de la medición.
Sólo los qubits medidos en la misma base se utilizan para generar una clave secreta compartida.
Cualquier intento por parte de un espía (Eva) de interceptar los qubits altera su estado cuántico y revela su presencia.
De manera similar, QSDC utiliza los principios de entrelazamiento y superposición para establecer una comunicación segura entre dos partes.
Aplicaciones de PQC
La criptografía cuántica tiene el potencial de transformar las metodologías de comunicación al ofrecer un canal seguro, inmune a las ciberamenazas. Sus diversas aplicaciones incluyen:
-
Transacciones financieras
La criptografía cuántica ofrece una vía de comunicación segura para las transacciones financieras, lo que hace imposible que los ciberdelincuentes intercepten y roben datos financieros confidenciales.
-
Comunicación militar y gubernamental
Las entidades militares y gubernamentales pueden aprovechar la criptografía cuántica para intercambiar información confidencial, eliminando así las preocupaciones sobre la interceptación.
-
Sector Sanitario
La criptografía cuántica encuentra aplicaciones en la protección de datos sanitarios, la salvaguarda de registros de pacientes y la investigación médica.
-
Internet de los objetos (IO)
La criptografía cuántica resulta fundamental para proteger los canales de comunicación de los dispositivos IoT y abordar las vulnerabilidades que surgen de su limitada capacidad informática y su susceptibilidad a las amenazas cibernéticas.
Conclusión
En conclusión, Criptografía Cuántica Se erige como una frontera prometedora en la comunicación segura, aprovechando los principios fundamentales de la física cuántica. Con su capacidad para abordar las amenazas potenciales que plantean las futuras computadoras cuánticas, la criptografía cuántica, en particular a través de protocolos de distribución de claves cuánticas como BB84 y E91, establece canales de comunicación seguros entre entidades como Alice y Bob. Las aplicaciones prácticas de la criptografía cuántica se extienden a diversos sectores, como las finanzas, las comunicaciones militares y gubernamentales, la atención médica y el Internet de las cosas (IoT), lo que demuestra su potencial para revolucionar la ciberseguridad. Sin embargo, es esencial permanecer alerta ante posibles ataques como la división del número de fotones (PNS) y los ataques de estado falso. La integración de partículas entrelazadas en protocolos como E91 añade una capa adicional de seguridad. A medida que la tecnología avanza, la criptografía cuántica promete transformar el panorama de la comunicación segura, proporcionando una defensa resiliente contra las ciberamenazas en evolución.
Consultoría de cifrado Servicios de asesoramiento en criptografía postcuántica Proporcionarle las herramientas y estrategias para proteger sus datos confidenciales contra futuras amenazas de descifrado.