Allá por la década de 1980, los expertos en física cuántica descubrieron que las extrañas reglas de la mecánica cuántica permitían enviar información de una parte del universo a otra con una privacidad total. En su opinión, esta supuesta "criptografía cuántica" sería perfecta porque la seguridad del mensaje estaría garantizada por las propias leyes de la física.

Pocos años después, la técnica pudo ser demostrada en laboratorio, y ahora la criptografía cuántica empieza a ser comercialmente viable (ver La máquina Enigma de los nazis ya tiene una versión cuántica totalmente segura) gracias a compañías como ID Quantique en Ginebra (Suiza).

Pero todo el mecanismo resulta un poco contraintuitivo. Para enviar el mensaje, la criptografía cuántica no se usa para nada. En lugar de eso, los físicos emplean procesos cuánticos para enviar un código llamado libreta de un solo uso que sirve para encriptar el mensaje original. El mensaje cifrado es enviado a través de un canal de telecomunicaciones corriente y es descodificado de la manera habitual. La técnica se llama distribución de clave cuántica (ver La física cuántica logra proteger una cadena de bloques frente a un ordenador cuántico).

Foto: Alice y Bob pueden intercambiar mensajes 100% seguros mediante la nueva técnica cuántica.

El mensaje codificado en una libreta de un solo uso no puede ser descifrado, de modo que la seguridad proviene de la capacidad de enviar la libreta de una sola vez con una privacidad perfecta, que es lo que garantiza este enfoque. Pero también plantea una pregunta interesante. Si es posible enviar la libreta de un solo uso de forma segura mediante mecánica cuántica, ¿por qué no enviar el mensaje original de esa manera?

El investigador de la Universidad Tsinghua en Pekín (China) Wei Zhany y algunos compañeros afirman haber hecho justo esto. Su nuevo proceso se llama comunicación cuántica directa y segura (QSDC,  por sus siglas en inglés), y el equipo lo empleó a través de 500 metros de cable de fibra óptica por primera vez.

La razón por la cual hasta ahora los físicos utilizaban libretas de un solo es simple. Lo que está en juego es si un mensaje ha sido espiado, y eso es algo que se puede verificar gracias a que las partículas cuánticas no pueden ser medidas sin destruir la información que contienen.

Así que cuando se transmiten fotones deben llegar en el mismo estado en el que fueron enviados para garantizar que ningún espía ha extraído la información que contienen. Pero si llegan en un estado diferente, es una prueba clara de que la información se ha filtrado al medio ambiente y el mensaje no es seguro. A nivel práctico, los físicos confían en la seguridad de un mensaje siempre que esta fuga se sitúe por debajo de un umbral crítico.

El problema es que la fuga sólo se se puede detectar después de que haya tenido lugar. Así que para cuando los físicos pudieran descubrir la artimaña, un espía ya tendría la información. Esta es la razón por la que los investigadores emplean la libreta de un solo uso, un conjunto de números aleatorios que pueden ser utilizados para encriptar un mensaje. Si esa libreta de un solo uso se filtra, los físicos simplemente la descartan y envían otra, hasta asegurarse de que el proceso ha transcurrido de manera totalmente privada.

Pero los investigadores preferirían no tener que depender de la libreta para garantizar la privacidad de un mensaje antes de enviarlo. Y hace algunos años, los físicos teóricos encontraron una forma de hacerlo. El método explota el fenómeno del entrelazamiento cuántico, el cual tiene lugar cuando dos partículas cuánticas están tan estrechamente relacionadas que comparten la misma existencia, por ejemplo, cuando ambas son creadas al mismo tiempo y en el mismo lugar.

Cuando esto sucede, las partículas permanecen unidas, incluso aunque están separadas por grandes distancias. Y la medición de una partícula influye inmediatamente en el estado de la otra. Así que el truco consiste en crear un conjunto de partículas entrelazadas, por ejemplo, fotones, y codificar la información en su estado de polarización. De esta forma, la polarización vertical podría representar un uno y la polarización horizontal un cero, por ejemplo.

La remitente, Alice, se queda con un fotón de cada pareja y envía el otro a Bob, que entonces dispone de un conjunto de fotones que están enlazados con los fotones de Alice.

Bob separa sus fotones al azar en dos grupos. Mide las polarizaciones de un conjunto y envía los resultados a Alice, quien verifica si los estados han cambiado durante la transmisión; en otras palabras, si Eve ha estado escuchando.

Si no, Alice y Bob tienen garantías de que Eve tampoco pudo haber visto los otros fotones, porque han sido separados al azar. Y eso significa que Alice y Bob pueden usar los fotones restantes para transmitir datos usando el proceso normal de comunicación cuántica, que es perfectamente privado.

Y eso es exactamente lo que Zhang y su equipo han hecho. Sin embargo, el experimento resulta difícil de ejecutar porque los fotones deben almacenarse mientras tiene lugar el proceso de verificación. Para ello, el equipo de Zhang envía los fotones a través de bucle de fibra óptica de dos kilómetros de largo y acelera el proceso de control al máximo. Cuanto más tiempo lleve, más probabilidades habrá de que los fotones sean absorbidos o dispersados ​​por la fibra óptica.

Los resultados muestran claramente el potencial de la técnica. "El sistema QSDC basado en fibra [óptica] tiene el potencial de realizar una tasa de transmisión cercana a las tasas claves de seguridad de los sistemas de distribución de claves cuánticas comerciales actuales. La ventaja [es] que el sistema QSDC podría transmitir no solo claves seguras sino también la información directamente", señala el equipo de Zhang.

Por supuesto, harán falta varias mejoras para lograr que este tipo de sistema sea comercialmente viable. Pero este trabajo da un paso importante hacia la comunicación segura basada en principios cuánticos. Los bancos, los gobiernos y las agencias militares estarán observando estos avances con entusiasmo.

Ref: arxiv.org/abs/1710.07951: Experimental Long-Distance Quantum Secure Direct Communication