BarcelonaALS ESPIES SE’LS HA COMPLICAT la feina. En un futur ben pròxim tindrem esquemes criptogràfics en què l’única manera de llegir informació confidencial serà violant les lleis de la física quàntica. I és que els científics estan començant a explotar les extraordinàries propietats del món quàntic per construir nous sistemes de processament i de transmissió d’informació cent per cent segurs. Precisament a Castelldefels, a l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), hi ha alguns dels grups de recerca més grans i punters de tot el món en informació quàntica. Recentment l’ICFO acaba d’aconseguir una càtedra AXA en informació quàntica.

No és casual que sigui una companyia asseguradora la que subvenciona amb 1,7 milions d’euros aquesta càtedra, ja que la confidencialitat de la informació amb què treballen és una condició sine qua non. La seguretat en les comunicacions s’ha convertit recentment en un assumpte de gran importància a escala mundial. El cas Snowden, per exemple, va descobrir debilitats no només en els protocols de seguretat utilitzats per a la transmissió d’informació per les xarxes, sinó que també va qüestionar la confiança que es deposita en els proveïdors.

CANVI DE LLEIS

La criptografia quàntica dissenya protocols per garantir al cent per cent la seguretat en l’enviament d’informació confidencial utilitzant les lleis de la física quàntica. El professor Antonio Acín, investigador ICREA al capdavant de la càtedra AXA d’informació quàntica de l’ICFO, és expert en aquesta àrea, que s’ha desenvolupat paral·lelament als ordinadors quàntics.

Els ordinadors clàssics utilitzen bits: zeros o uns. En la informació quàntica es manipulen qbits, bits quàntics que poden representar u, zero o també u i zero simultàniament. Aquesta superposició d’estats, que Schrodinger ja va postular amb el seu gat -que dins d’una caixa podia estar mort i viu al mateix temps, segons l’observador-, és el principi en què es basa la impenetrabilitat de la criptografia quàntica. “Els dispositius informàtics són cada cop més petits, i quan arribes a escala atòmica necessites la física quàntica per descriure la natura”, explica Acín. “I quan els dispositius informàtics assoleixen el món quàntic passen coses noves”, afegeix l’expert, que és pioner a escala mundial en encriptació quàntica i ha guanyat tres projectes del prestigiós European Research Council (ERC) per tal d’estudiar els protocols que asseguren la inviolabilitat de les comunicacions.

A diferència de la criptografia clàssica, aquest nou tipus de criptografia no depèn de la potència de càlcul dels ordinadors, ja que no està basada en algoritmes matemàtics, sinó que se sustenta en les propietats de les partícules elementals.

APROFITAR LA INCERTESA

La criptografia quàntica com a idea es va proposar el 1984. Els esquemes habituals fan servir el que es coneix com a principi d’incertesa de Heisenberg. L’emissor emmagatzema dades en partícules quàntiques, que poden ser fotons. Els fotons s’envien al receptor que llegeix la informació. Pel camí, si un espia intenta mesurar aquests fotons, segons el principi d’incertesa vàlid al món quàntic, en modificarà l’estat i, per tant, l’emissor i el receptor s’adonaran que algú està intentant interceptar la informació. Immediatament, podran aturar l’enviament d’informació. En definitiva, doncs, les claus generades per mitjà de partícules quàntiques garantirien la seguretat gràcies a les mateixes lleis de la mecànica quàntica, que indiquen que l’observació d’una partícula en el seu estat quàntic implica la modificació d’aquest estat.

Tot i que els protocols de criptografia quàntica existents han demostrat altes garanties de seguretat, el cert és que fa uns anys uns investigadors van aconseguir hackejar-los. Ara bé, lluny d’invalidar la criptografia quàntica, els atacs han incentivat la recerca de noves opcions. “Els hackers quàntics no van violar el principi físic de la criptografia quàntica, sinó que en van poder violar la implementació”, explica Acín. Així doncs, ara el repte consisteix a trobar una millor translació d’aquests principis.

ENTRELLAÇAMENT

Acín està desenvolupant un nou sistema per encriptar informació utilitzant la física quàntica que permet al mateix usuari no haver de confiar en cap fabricant, al qual és possible que li hackegin el sistema. “El que nosaltres proposem és un nou sistema que se certifica a si mateix i que t’avisa si ha estat hackejat“, explica Acín. I com funcionaria? “Nosaltres oferim una aproximació diferent, basada en el que es coneix com a entanglement (entrellaçament), una propietat que consisteix en la curiosa correlació que es dóna entre dues partícules”, explica Acín.

L’entrellaçament en què es basen les comunicacions quàntiques permet que una partícula estigui en certa manera unida, o tècnicament correlacionada, a una altra malgrat que estiguin lluny l’una de l’altra. D’aquesta manera, quan es produeix un canvi en una de les partícules també es produeix en l’altra.

Es tracta del mateix principi que hi ha darrere la teletransportació quàntica, ja que les propietats d’una partícula es “teletransporten” de manera instantània a l’altra. En la teletransportació quàntica la informació no es transmet materialment. No hi ha un senyal que viatgi, sinó que una partícula rep la informació de l’estat de l’altra per aquest fenomen físic, l’entrellaçament. Simplificant molt, seria com si d’alguna manera estiguessin unides per una corda inexistent.

LA PARTÍCULA ELEMENTAL: EL FOTÓ

Les partícules utilitzades habitualment en la criptografia quàntica són els components de la llum o fotons. I per ser entrellaçats o superposats entre si s’utilitzen els seus dos possibles estats de polarització, que és una de les característiques conegudes de la llum.

Un fotó pot ser polaritzat en una direcció en particular pel que fa a la seva adreça de desplaçament. Aquesta polarització pot ser detectada mitjançant l’ús de filtres, orientats en el mateix sentit en què la llum va ser polaritzada. Aquests filtres deixen passar els fotons polaritzats en un estat i absorbeixen els polaritzats en l’altre estat. Per aconseguir l’enllaçament entre la partícula emissora i una altra de receptora es fan servir complexos raigs làser que estableixen una cadena de fotons que transmeten la informació.

El primer experiment de teletransportació va ser amb fotons i el va fer l’equip de la Universitat de Viena dirigit per Anton Zeilinger l’any 1997. En aquest camp també treballa el científic de Manresa Ignacio Cirac, actualment a l’Institut Max-Planck d’Alemanya, amb qui també treballa Acín des de l’ICFO. Tots dos han fet importants contribucions en aquest camp. Entre altres coses, han pogut observar les imperfeccions d’aquestes correlacions i trobar el que es coneix com a percolació quàntica, així com la manera de fer que les interferències en les comunicacions siguin constructives. Des de l’ICFO també s’ha participat en un experiment trencador en què s’han pogut desenvolupar “daus quàntics” que poden tenir aplicacions en criptografia.