El VQCC desarrolla un generador de números aleatorios cuánticos simple, autoevaluable y de bajo coste
La generación de números realmente aleatorios es crucial para alcanzar soluciones de criptografía inviolables, entre otras aplicaciones. La aleatoriedad verdadera solo puede lograrse mediante dispositivos que operan bajo las leyes de la mecánica cuántica, algo que se complica dado que estos todavía son muy incipientes y, por tanto, imperfectos. El Vigo Quantum Communication Center (VQCC) ha terminado con éxito un experimento que sienta las bases de un generador de números aleatorios cuánticos sencillo, autocomprobable y eficiente
Ana Blázquez
En 1935, Erwin Schrödinger propuso uno de los experimentos mentales más populares dentro y fuera de la comunidad científica. El protagonista es un gato, que está encerrado en una caja sellada. El gato no está solo, sino que le acompañan un frasco de veneno y un dispositivo con una partícula sensible a la radiación. Si el dispositivo detecta radiación, romperá el frasco y liberará el veneno. Si no detecta radiación, el gato continuará con vida. Solo podemos saberlo al abrir la caja y todo va a depender del instante en el que lo hagamos, ya que aleatoriamente habrá riesgo de radiación o no y nosotros no podemos saberlo hasta que miramos.
En definitiva, la idea consiste en que, mientras la caja está sellada, el gato está muerto y vivo al mismo tiempo a causa de la incertidumbre cuántica del mecanismo que podría matarlo. No podemos saber si está muerto o vivo hasta que abrimos la caja y lo comprobamos.
El experimento del gato de Schrödinger viene a ilustrar un fenómeno denominado superposición cuántica, que se sustenta en que una partícula puede estar en múltiples estados al mismo tiempo hasta que se mide ¬–es decir, hasta que se observa–, una intervención que provoca la fijación de un estado concreto. Técnicamente, se dice que en ese momento la superposición colapsa a un estado definido. En el caso del gato, supone la diferencia entre la vida y la muerte y es totalmente impredecible.
El concepto clave es la aleatoriedad. Y lograr un sistema que genere aleatoriedad real solamente es posible aplicando las leyes de la mecánica cuántica. Con esta premisa trabaja el Grupo de Tecnologías de Comunicaciones Cuánticas del Vigo Quantum Communication Center (VQCC), en su desarrollo de un generador de números aleatorios cuánticos (QRNG, por sus siglas en inglés) simple, autocomprobable y rentable.
¿Para qué sirven los números aleatorios? Las aplicaciones son muy variadas, pero van desde algo tan prosaico como las máquinas de juego –para garantizar que su funcionamiento está realmente regido por el azar– hasta algo tan estratégico como la seguridad de las comunicaciones –para asegurar la inviolabilidad de la encriptación de los mensaje–.
Recuperando la metáfora del gato, podemos imaginar que cada vez que abrimos la caja estamos generando un número aleatorio. Si el gato está vivo, el número es un 1 y, si está muerto, el número es un 0. Pero hasta que no abrimos la caja –o medimos el sistema cuántico–, no tenemos forma de saber qué número obtendremos. En definitiva, los números aleatorios cuánticos dependen de la medición de estados cuánticos indeterminados.
Realmente impredecible
Así pues, para que algo sea realmente aleatorio tiene que ser impredecible, como el estado del gato de Schrödinger. “Un generador de números aleatorios produce una serie de números sin ningún patrón, por lo que los números no se pueden predecir”, explica Ana Blázquez, investigadora del VQCC. Esta clase de números ya se intentan generar en la actualidad con los superordenadores clásicos. Y decimos que lo intentan porque la naturaleza de estos dispositivos viene determinada precisamente por trabajar siempre siguiendo un patrón. En el caso de la generación de números, identificar ese patrón permite predecir el resultado, de modo que, aún con los métodos más sofisticados, los computadores clásicos solo llegan a producir lo que se denomina números pseudoaleatorios. Puede ser muy complejo descifrar el patrón, pero no es imposible.
El método que se está desarrollando en el VQCC no solamente logra la verdadera aleatoriedad gracias a la naturaleza inherentemente indeterminista de la física cuántica, sino que además es de bajo coste. “La tecnología cuántica suele tener un precio muy elevado, por lo que reducir el coste permite hacerla más accesible”, explica Blázquez. Sin duda, este es un aspecto crucial para que, por ejemplo, las soluciones de criptografía basadas en esta tecnología estén al alcance de más entidades y personas para proteger sus comunicaciones de los hackers.
Además, el generador propuesto por el equipo de Vigo es autoevaluable, lo que significa que puede verificar por sí mismo y en tiempo real si está produciendo números verdaderamente aleatorios. “Una dificultad actual en los QRNG es probar que la aleatoriedad que estás generando realmente proviene de la física cuántica y no, por ejemplo, de una lista de números que un intruso ha puesto al final de tu experimento y que él o ella conoce de antemano”, expone la investigadora. “Nuestro sistema se autoevalúa mediante un seguimiento en tiempo real que certifica que el dispositivo está funcionando de manera cuántica y, por lo tanto, es seguro”.
Esto está relacionado con otra de las características del sistema y es que funciona incluso si los dispositivos no son perfectos o confiables, que es lo que ocurre con los computadores cuánticos actuales, todavía incipientes y en desarrollo. En consecuencia, la aplicabilidad del sistema ideado por el VQCC puede acelerarse, al poder ejecutarse ya en el hardware disponible actualmente.
Esto quiere decir que las empresas que trabajan con datos sensibles, los organismos gubernamentales, la banca y las personas que por sus circunstancias presentan altas exigencias de seguridad podrían implantar esta solución en un futuro no muy lejano. “El experimento ya está acabado y estamos en proceso de escribir un artículo sobre los resultados obtenidos”, precisa Blázquez.
Pulsos de láser y vacío
El experimento ha supuesto la colaboración entre la Universidade de Vigo –a través del VQCC, la Escuela de Ingeniería de Telecomunicación y el centro de investigación AtlanTTic– y la Universidad de Ginebra (Suiza).
De entre todos los métodos conocidos para generar estados cuánticos –y, por tanto, capaces de sustentar la generación de números realmente aleatorios–, los elegidos para realizar el experimento son los pulsos de láser y el vacío. En el primer caso, el láser solo se enciende por un período corto de tiempo, generando un pulso que después de enviarse es atenuado hasta que de media hay menos de un fotón por pulso. Cuando está solo, un fotón se comporta de manera probabilística siguiendo las leyes de la mecánica cuántica, que es el objetivo que se persigue. “La fibra óptica es el medio en el que propagamos la señal en el experimento. La elegimos porque está muy avanzada gracias a la telecomunicación. Producir estados cuánticos y propagarlos por este medio en forma de luz es cómodo y no requiere ningún tipo de criogenización, ni se trabaja con radiación que pueda resultar peligrosa”, expone Blázquez.
En el caso del vacío, “el láser no envía nada, está apagado, y lo que hacemos es medir las fluctuaciones del propio campo electromagnético, que se producen por el principio de incertidumbre, ya que el vacío también es un estado cuántico que toma valores impredecibles al ser medido”, explica la investigadora del VQCC.
Mientras ultiman el artículo científico en el que darán a conocer los resultados obtenidos, el equipo continúa realizando avances para optimizar estos resultados. “Por ejemplo, mejorar cómo se mantiene la polarización en el sistema usando un tipo de fibra especial, controlar mejor cómo estabilizamos la temperatura en el experimento, cambiar de láser para usar uno que nos permita emitir pulsos con más frecuencia e incluso integrar el sistema en un chip fotónico”, precisa Blázquez.
El futuro cuántico
Ana Blázquez tiene claro que el interés estratégico de las tecnologías cuánticas es una cuestión que hay que abordar ya para que en el futuro sean una herramienta constructiva y no una amenaza. “Ahora mismo hay un creciente interés en desarrollar el nuevo paradigma computacional que suponen los ordenadores cuánticos. El campo de la seguridad criptográfica no puede ignorar la posibilidad de un mundo en el que se ha normalizado un dispositivo capaz de romper la base de toda la ciberseguridad”, explica.
Según su opinión, aunque la distribución de claves cuánticas ofrece la seguridad incondicional, por el momento es una opción muy cara “que solo algunos pueden permitirse y que tiene algunas limitaciones, como la distancia a la que puede funcionar adecuadamente”. La investigadora del VQCC no duda de que en el futuro, si los ordenadores cuánticos evolucionan a buen ritmo, esta será una tecnología imprescindible para la comunicación segura.
Mientras tanto, los generadores de números aleatorios cuánticos (QNRG) no presentan tantos problemas de implementación, básicamente porque no necesitan distribuir los estados cuánticos a largas distancias. “A pesar de ello, siguen teniendo un coste más alto en comparación con otros sistemas de generación de números aleatorios, así que me parece importante seguir investigando para abaratar los costes y superar las carencias actuales”, asegura, en referencia tanto a los QRNG como a la distribución de claves cuánticas.
