Imagínense a dos millonarios, Alice y Bob. Quieren decidir quién es el más rico de los dos sin revelar cuánto dinero tiene cada uno. ¿Cómo resuelven el enigma? Este es el Problema de los Millonarios de Yao, ideado por el informático Andrew Yao en 1982.

Una solución podría residir en un programa de ordenador de un solo uso. Alice y Bob introducen sus datos de manera privada, el software hace el cálculo una sola vez, da la respuesta y luego se autodestruye. Esto garantiza que nadie pueda acceder a los datos ni a la forma en que se procesaron, y da a Alice y Bob la respuesta sin comprometer sus detalles financieros.

Los expertos en seguridad informática creen que los programas de un solo uso representan una herramienta sumamente importante en ciberseguridad. O lo serían, si pudieran construirse.

Foto: Con un programa secreto, Alice codifica su riqueza en una serie de cúbits almacenados en un ordenador cuántico, que compara la cifra con el número secreto que introduce Bob, y da el resultado.

Resulta que es imposible construir un programa de un solo uso que se ejecute una sola vez y luego se destruya a sí mismo. Una computadora clásica de este tipo tendría que ser físicamente destruida para asegurar que no puede ser usada de nuevo, y no hay ninguna otra manera de garantizarlo.

Tal vez pudiera hacerse con una computadora cuántica, ya que este tipo de información se destruye fácilmente y es imposible de copiar. El problema es que un ordenador cuántico no puede dar una respuesta determinista a un cálculo puntual. Por lo tanto, el sueño de un programa de un solo que se destruye después de realizar un sólo cálculo parece condenado.

Pero la investigadora de la Universidad de Viena (Austria) Marie-Christine Roehsner, y el de la Universidad Nacional de Singapur Joshua Kettlewell, junto a algunos compañeros, afirman haber encontrado una forma de construir un programa de un solo uso, y han fabricado y probado un dispositivo de prueba de concepto por primera vez.

Su método se basa en un enfoque diferente para los programas de un solo uso ejecutados por computadoras cuánticas. Hasta ahora, los expertos en seguridad siempre han esperado una solución definitiva: el valor de la riqueza de Bob es mayor o menor que el de Alice.

Pero la mecánica cuántica es un proceso inherentemente probabilístico, y eso significa que sólo se puede dar la respuesta correcta dentro de unos ciertos límites de probabilidad, digamos el 75% del tiempo. Siempre que Alice y Bob estén dispuestos a aceptar la posibilidad de un error en el cálculo, se puede garantizar que su información permanecerá segura, que el programa se ejecutará una sola vez y que luego se destruirá a sí mismo.

La investigación detalla: "Hemos relajado la definición de programas de un solo uso para permitir un margen de error en la salida y demostrar así que la mecánica cuántica ofrece ventajas de seguridad sobre los recursos puramente clásicos".

El enfoque es sencillo. Alice codifica en secreto su riqueza en los estados de un conjunto de cúbits almacenados en un ordenador cuántico. Esta computadora está programada para comparar este número con el introducido por Bob, y decirle si su riqueza es mayor o menor que la de Alice. Este proceso cuántico es en sí mismo un proceso irreversible, y esto impide que Bob pueda introducir otros números para determinar la riqueza de Alicia.

Pero el hardware es fijo, y una debilidad potencial de este enfoque es que Bob puede hacer ingeniería inversa del programa si deduce cómo se conectan las puertas lógicas.

Roehsner y sus compañeros tienen un truco para evitarlo.  Aunque no pueden ocultar el cableado físico, pueden ocultar las tablas de valores de verdad que rigen el comportamiento de cada puerta lógica. "Nuestro enfoque consiste en codificar la tabla de verdad de las puertas individuales para generar un programa de un solo uso propiamente dicho". 

Esto permite que la información de Alice sea codificada a elección de las puertas lógicas y no por las conexiones que hay entre ellas. De esta manera, permanece oculto para Bob.

Roehsner y sus colegas han probado esta idea en un experimento de prueba de concepto. En su experimento han codificado información mediante la polarización de fotones. Esta se procesa a través de varios tipos de puertas lógicas ópticas. La probabilidad promedio de que funcione en cada una de las puertas es de 75%, una eficacia con la que el equipo está satisfecho.

Los investigadores utilizaron su programa para resolver el problema de los Millonarios de Yao, para lo que emplearon números que constan de cuatro bits y que difieren en uno. El programa compara cada bit para decidir cuál es mayor.

Los resultados son interesantes. El equipo dice que la probabilidad de éxito aumenta con el número de bits utilizados para la corrección de errores, pero esto también reduce la seguridad del sistema. Por lo tanto, existe un claro equilibrio entre la precisión y la seguridad. Sin embargo, el equipo afirma que la seguridad es mejor que la que se lograría con computación clásica.

La investigación detalla: "Nuestros resultados demuestran que la física cuántica permite obtener mejores equilibrios de seguridad para ciertas tareas de computación segura que en el mundo clásico, incluso cuando no se puede lograr una seguridad perfecta".

Es más, el método es viable con la tecnología actual, por lo que no harían falta avances muy grandes para aumentar aún más la seguridad.

Es un trabajo interesante que demuestra el potencial de las tecnologías cuánticas para aumentar dramáticamente la seguridad con tecnología disponible actualmente. El trabajo concluye: "Creemos que nuestra investigación señala con fuerza un área rica en protocolos cuánticos para mejorar la seguridad de la computación clásica, incluso antes de que los ordenadores cuánticos a gran escala puedan fabricarse".

Será interesante ver cómo se recibe este trabajo.

Ref: arxiv.org/abs/1709.09724: Quantum Advantage for Probabilistic One-Time Programsz