Uno de los mayores héroes anónimos de la ciencia del siglo XX fue el matemático e ingeniero de los famosos Laboratorios Bell de Nueva Jersey (EEUU) Claude Shannon. Durante las décadas de 1940, 1950 y 1960, Shannon sentó las bases matemáticas para las comunicaciones y la computación modernas mientras desarrollaba algunas de las primeras máquinas inteligentes.

De camino, también realizó una importante aportación a la teoría de la criptografía con un trabajo titulado La teoría de la comunicación de los sistemas secretos, publicado en 1949, en el que demostró la viabilidad de enviar un mensaje totalmente seguro siempre que la clave de encriptación sea completamente aleatoria y sólo sea empleada una vez.

El trabajo de Shannon es la prueba matemática de que la libreta de un sólo uso realmente representa una forma inquebrantable de encriptación. Una condición crítica es que la clave de encriptación debe de ser al menos igual de larga que el propio mensaje.

Foto: La primera máquina Enigma cuántica.

El trabajo de Shannon da por hecho que el mensaje será enviado mediante formas convencionales de transmisión, pero durante los últimos 10 años los físicos cuánticos han demostrado que es posible lograr mejores resultados si el mensaje es encriptado con reglas cuánticas. En particular, han demostrado que en el mundo cuántico, un mensaje seguro puede ser enviado con una clave que es significativamente más corta que el propio mensaje. Al menos en teoría.

Los investigadores han bautizado este dispositivo como "la máquina cuántica Enigma" en honor al dispositivo de encriptación nazi que fue pirateado por los descifradores aliados liderados por Alan Turing durante la Segunda Guerra Mundial. Pero hasta ahora, todo lo relacionado con el dispositivo ha sido totalmente teórico.

Hasta ahora. Hoy, el investigador de la Universidad de Rochester en el estado de Nueva York (EEUU) Daniel Lum y varios compañeros suyos desvelan una máquina Enigma cuántica operativa por primera vez. Su prototipo es capaz de enviar mensajes totalmente seguros con el uso de una clave de encriptación más corta que el propio mensaje.

Una libreta de un sólo uso añade un número aleatorio a cada dígito del mensaje, lo cual logra que el mensaje resulte indistinguible. Sólo podrá ser leído al restar los mismos números aleatorios para generar el mensaje original.

El carácter secreto depende de que sólo el transmisor y el receptor dispongan de la lista de números aleatorios. Y, por supuesto, esta lista ha de ser más larga que el propio mensaje.

La versión cuántica de este proceso codifica la información dentro de un objeto cuántico, como un fotón, para después alterar el estado del fotón mediante una operación aleatoria. La información sólo podrá ser recuperada al invertir la operación aleatoria. Siempre que el transmisor y el receptor conozcan la secuencia de operaciones aleatorias (la clave cuántica), y, siempre que esta clave sólo sea empleada una única vez, el mensaje será completamente seguro.

Sin embargo, los teóricos cuánticos han demostrado que la clave cuántica puede ser exponencialmente más corta que el propio mensaje.

Ahora, el equipo de Lum ha desarrollado un transmisor y un receptor que aprovechan este mecanismo. Su dispositivo está formado por una pistola de fotones que dispara fotones individuales a través de una especie de máscara llamada un modulador de luz espacial que sobrepone informaciones sobre la frente de onda del fotón. Si este modulador está formado por un conjunto de 8x8, podrá codificar 64 bits de información. Al mismo tiempo, el modulador de luz espacial añade una señal aleatoria a las informaciones transmitidas.

Lo importante es que toda la información codificada en el fotón es aleatorizada por una señal aleatoria, por lo que la secuencia de señales aleatorias empleada para la encriptación puede ser significativamente más corta que el propio mensaje.

Eso representa un cambio de enfoque importante, porque al ser la clave más corta que el mensaje, también permite incluir el envío de una nueva clave para codificar el próximo mensaje. De esta manera, se envían al mismo tiempo el mensaje y la próxima clave, ambos de forma totalmente segura.

El receptor detecta cada fotón con un conjunto fotosensible que puede detectar el patrón superpuesto sobre el fotón. Entonces, resta la señal aleatoria para revelar el mensaje original.

El equipo de Lum ha logrado hacer exactamente esto. El responsable afirma: "Hemos demostrado el fenómeno con un experimento de prueba de concepto para codificar seus bits por fotón mientras utilizamos menos de seis bits por fotón para la clave secreta". En otras palabras, han desarrollado el primer prototipo de máquina Enigma cuántica.

Es un resultado interesante que tiene aplicaciones inmediatas. Los físicos ya emplean la mecánica cuántica para enviar mensajes totalmente seguros con una técnica llamada distribución de clave cuántica. Las técnicas para hacerlo se están volviendo cada vez más sofisticadas. De hecho, ya existen versiones comerciales de este tipo de encriptación cuántica en el mercado.

El equipo de Lum afirma que la tecnología y las técnicas desarrolladas para la distribución de clave cuántica pueden ser aplicadas de inmediato al desarrollo de máquinas cuánticas Enigma por que lo no existen impedimentos para la comercialición de la técnica en un futuro próximo. Shannon seguramente se habría quedado impresionado.

Ref: arxiv.org/abs/1605.06556: A Quantum Enigma Machine: Experimentally Demonstrating Quantum Data Locking