O VQCC desenvolve un xerador de números aleatorios cuánticos simple, autoavaliable e de baixo custo
A xeración de números realmente aleatorios é crucial para alcanzar solucións de criptografía inviolables, entre outras aplicacións. A aleatoriedade verdadeira só pode lograrse mediante dispositivos que operan baixo as leis da mecánica cuántica, algo que se complica dado que estes aínda son moi incipientes e, polo tanto, imperfectos. O Vigo Quantum Communication Center (VQCC) rematou con éxito un experimento que senta as bases dun xerador de números aleatorios cuánticos sinxelo, autocomprobable e eficiente
Ana Blázquez
En 1935, Erwin Schrödinger propuxo un dos experimentos mentais máis populares dentro e fóra da comunidade científica. O protagonista é un gato, que está encerrado nunha caixa selada. O gato non está só, senón que o acompañan un frasco de veleno e un dispositivo cunha partícula sensible á radiación. Se o dispositivo detecta radiación, romperá o frasco e liberará o veleno. Se non detecta radiación, o gato continuará con vida. Só podemos sabelo ao abrir a caixa e todo vai depender do instante no que o fagamos, xa que aleatoriamente haberá risco de radiación ou non e nós non podemos sabelo ata que miramos.
En definitiva, a idea consiste en que, mentres a caixa está selada, o gato está morto e vivo ao mesmo tempo por mor da incerteza cuántica do mecanismo que podería matalo. Non podemos saber se está morto ou vivo ata que abrimos a caixa e o comprobamos.
O experimento do gato de Schrödinger vén ilustrar un fenómeno denominado superposición cuántica, que se sustenta en que unha partícula pode estar en múltiples estados ao mesmo tempo ata que se mide –é dicir, ata que se observa–, unha intervención que provoca a fixación dun estado concreto. Tecnicamente, dise que nese momento a superposición colapsa a un estado definido. No caso do gato, supón a diferenza entre a vida e a morte e é totalmente impredicible.
O concepto clave é a aleatoriedade. E lograr un sistema que xere aleatoriedade real só é posible aplicando as leis da mecánica cuántica. Con esta premisa traballa o Grupo de Tecnoloxías de Comunicacións Cuánticas do Vigo Quantum Communication Center (VQCC), no seu desenvolvemento dun xerador de números aleatorios cuánticos (QRNG, polas súas siglas en inglés) simple, autocomprobable e rendible.
Para que serven os números aleatorios? As aplicacións son moi variadas, pero van dende algo tan prosaico como as máquinas de xogo –para garantir que o seu funcionamento está realmente rexido polo azar– ata algo tan estratéxico como a seguridade das comunicacións –para asegurar a inviolabilidade da encriptación das mensaxes–.
Recuperando a metáfora do gato, podemos imaxinar que cada vez que abrimos a caixa estamos a xerar un número aleatorio. Se o gato está vivo, o número é un 1 e, se está morto, o número é un 0. Pero ata que non abrimos a caixa –ou medimos o sistema cuántico–, non temos forma de saber que número obteremos. En definitiva, os números aleatorios cuánticos dependen da medición de estados cuánticos indeterminados.
Realmente impredicible
Así pois, para que algo sexa realmente aleatorio ten que ser impredicible, como o estado do gato de Schrödinger. “Un xerador de números aleatorios produce unha serie de números sen ningún patrón, polo que os números non se poden predicir”, explica Ana Blázquez, investigadora do VQCC. Esta clase de números xa se tentan xerar na actualidade cos supercomputadores clásicos. E dicimos que o tentan porque a natureza destes dispositivos vén determinada precisamente por traballar sempre seguindo un patrón. No caso da xeración de números, identificar ese patrón permite predicir o resultado, de modo que, aínda cos métodos máis sofisticados, os computadores clásicos só chegan a producir o que se denomina números pseudoaleatorios. Pode ser moi complexo descifrar o patrón, pero non é imposible.
O método que se está desenvolvendo no VQCC non só logra a verdadeira aleatoriedade grazas á natureza inherentemente indeterminista da física cuántica, senón que ademais é de baixo custo. “A tecnoloxía cuántica adoita ter un prezo moi elevado, polo que reducir o custo permite facela máis accesible”, explica Blázquez. Sen dúbida, este é un aspecto crucial para que, por exemplo, as solucións de criptografía baseadas nesta tecnoloxía estean ao alcance de máis entidades e persoas para protexer as súas comunicacións dos hackers.
Ademais, o xerador proposto polo equipo de Vigo é autoavaliable, o que significa que pode verificar por si mesmo e en tempo real se está a producir números verdadeiramente aleatorios. “Unha dificultade actual nos QRNG é probar que a aleatoriedade que estás a xerar realmente provén da física cuántica e non, por exemplo, dunha lista de números que un intruso puxo ao final do teu experimento e que el ou ela coñece de antemán”, expón a investigadora. “O noso sistema autoavalíase mediante un seguimento en tempo real que certifica que o dispositivo está a funcionar de maneira cuántica e, polo tanto, é seguro”.
Isto está relacionado con outra das características do sistema e é que funciona mesmo se os dispositivos non son perfectos ou confiables, que é o que ocorre cos computadores cuánticos actuais, aínda incipientes e en desenvolvemento. En consecuencia, a aplicabilidade do sistema ideado polo VQCC pode acelerarse, ao poder executarse xa no hardware dispoñible actualmente.
Isto quere dicir que as empresas que traballan con datos sensibles, os organismos gobernamentais, a banca e as persoas que polas súas circunstancias presentan altas esixencias de seguridade poderían implantar esta solución nun futuro non moi afastado. “O experimento xa está acabado e estamos en proceso de escribir un artigo sobre os resultados obtidos”, precisa Blázquez.
Pulsos de láser e baleiro
O experimento supuxo a colaboración entre a Universidade de Vigo –a través do VQCC, a Escola de Enxeñería de Telecomunicación e o centro de investigación AtlanTTic– e a Universidade de Xenebra (Suíza).
De entre todos os métodos coñecidos para xerar estados cuánticos –e, polo tanto, capaces de sustentar a xeración de números realmente aleatorios–, os elixidos para realizar o experimento son os pulsos de láser e o baleiro. No primeiro caso, o láser só se acende por un período curto de tempo, xerando un pulso que despois de enviarse é atenuado ata que de media hai menos dun fotón por pulso. Cando está só, un fotón compórtase de maneira probabilística seguindo as leis da mecánica cuántica, que é o obxectivo que se persegue. “A fibra óptica é o medio no que propagamos o sinal no experimento. Elixímola porque está moi avanzada grazas á telecomunicación. Producir estados cuánticos e propagalos por este medio en forma de luz é cómodo e non require ningún tipo de crioxenización, nin se traballa con radiación que poida resultar perigosa”, expón Blázquez.
No caso do baleiro, “o láser non envía nada, está apagado, e o que facemos é medir as variacións do propio campo electromagnético, que se producen polo principio de incerteza, xa que o baleiro tamén é un estado cuántico que toma valores impredicibles ao ser medido”, explica a investigadora do VQCC.
Mentres ultiman o artigo científico no que darán a coñecer os resultados obtidos, o equipo continúa realizando avances para optimizar estes resultados. “Por exemplo, mellorar como se mantén a polarización no sistema usando un tipo de fibra especial, controlar mellor como estabilizamos a temperatura no experimento, cambiar de láser para usar un que nos permita emitir pulsos con máis frecuencia e mesmo integrar o sistema nun chip fotónico”, precisa Blázquez.
O futuro cuántico
Ana Blázquez ten claro que o interese estratéxico das tecnoloxías cuánticas é unha cuestión que hai que abordar xa para que no futuro sexan unha ferramenta construtiva e non unha ameaza. “Agora mesmo hai un crecente interese en desenvolver o novo paradigma computacional que supoñen os computadores cuánticos. O campo da seguridade criptográfica non pode ignorar a posibilidade dun mundo no que se normalizou un dispositivo capaz de romper a base de toda a ciberseguridade”, explica.
Segundo a súa opinión, aínda que a distribución de claves cuánticas ofrece a seguridade incondicional, polo momento é unha opción moi cara “que só algúns poden permitirse e que ten algunhas limitacións, como a distancia á que pode funcionar adecuadamente”. A investigadora do VQCC non dubida de que no futuro, se os computadores cuánticos evolucionan a bo ritmo, esta será unha tecnoloxía imprescindible para a comunicación segura.
Mentres tanto, os xeradores de números aleatorios cuánticos (QNRG) non presentan tantos problemas de implementación, basicamente porque non necesitan distribuír os estados cuánticos a longas distancias. “A pesar diso, seguen tendo un custo máis alto en comparación con outros sistemas de xeración de números aleatorios, así que me parece importante seguir investigando para abaratar os custos e superar as carencias actuais”, asegura, en referencia tanto aos QRNG como á distribución de claves cuánticas.
