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El computador Quantum, como lo llaman por ahí, como ejemplo de hablar sin saber

El supermegaordenador

Parto de la base de que no me gusta hablar de lo que desconozco. Si es sobre un tema que me interesa, procuro documentarme y, a ser posible, escuchar hablar sobre ello a los que saben. Y, cuando me aventuro a decir algo, lo suelo hacer preguntando, no afirmando. Más que nada por el alto porcentaje de posibilidades de que alguien con más conocimientos en la materia que yo pueda refutar mis palabras. El problema es que no todo el mundo actúa de igual manera y, desgraciadamente, los erróneos conceptos transmitidos por algunas personas pueden, con el altavoz adecuado, ser tomadas por reales y difundidas por otras muchas personas. El último ejemplo reciente al respecto, y seguramente habrás leído algo al respecto, es el ordenador cuántico en el que la Agencia Nacional de Seguridad de Estados Unidos (NSA) está trabajando, y que supondría el final definitivo de la privacidad. El problema es que en muchos casos la información es errónea, carente de rigor y, claro, sensacionalista. Titulares como “La NSA busca acabar con todo cifrado posible” son, sin duda, desproporcionados y, tecnológicamente, irreales, vamos, un buen ejemplo de lo que es escribir sin saber de lo que se habla. Pero empecemos por el principio, ¿de qué va toda esta historia?

Ordenador cuántico

O “Computador cuántico” e, incluso, “Computador quantum”, no son pocas las traducciones para el término Quantum Computer, empleado por The Washington Post en este artículo, en el que, basándose en información filtrada por Snowden, el diario habla de los trabajos de la NSA para crear un sistema capaz de romper muchos tipos de cifrado. El primer error, y fundamental, es que en muchas “adaptaciones” se ha cambiado el “most types” por un genérico, impactante y mentiroso “todos”. Y eso, claro, genera un titular más atractivo, pero también una noticia incorrecta.

Lo primero que hay que destacar al respecto es que, asumiendo que la tecnología de la que se habla en ese artículo pudiera llegar a materializarse, ésta “sólo” sería realmente útil y supondría una revolución para romper el cifrado basado en sistemas de cifrado asimétrico, es decir, de clave pública y clave privada. Esto es muy peligroso, desde luego, ya que a día de hoy todas las transacciones seguras que se realizan a través de Internet emplean este sistema. Sin embargo, cualquier otro sistema de cifrado seguiría requiriendo de los mismos métodos que se emplean hoy en día para su descifrado. Por ejemplo, con sistemas de transposición, como el popular Cifrado César (llamado así en honor al emperador Julio César, quien lo empleó en sus comunicaciones), cuyas técnicas de descifrado (básicamente el análisis de frecuencia) ya tienen bastantes siglos, el ordenador cuántico podría aportar algo de rapidez adicional a la que ya ofrecen los sistemas actuales (y que ya es bastante). Con sistemas un poco más complejos, como la cifra Vigenère, en la que se cambia la transposición basada en un único vector de desplazamiento, por otro en el que se emplea un cuadro con las 27 transposiciones posibles, y un sistema o una clave para definir cual de ellas se emplea para cifrar cada letra del mensaje original, el ordenador cuántico también aportaría, quizá, algo más de velocidad, pero poco más. Pero de aquí saltamos, todavía dentro de la criptografía simétrica (es decir, aquella en la que remitente y destinatario deben compartir la clave) a los sistemas de clave única o cuaderno/libreta de uso único. Este sistema se basa en Vigenère, pero con una singularmente larga, lo que rompe por completo las posibilidades de descifrar el mensaje mediante el análisis de frecuencia ni con el método Kasiski (el utilizado para romper Vigenère). A día de hoy, y con técnicas de descifrado convencionales sigue siendo irrompible, por lo que los esfuerzos para acceder al contenido de los mensajes codificados con este sistema se basan en averiguar la clave mediante robo, espionaje, etcétera. A día de hoy este sigue siendo el sistema de cifrado más seguro del mundo (siempre que la clave se proteja adecuadamente). Y, con este tipo de cifrado, el ordenador cuántico podría hacer… absolutamente nada. Sí, has leído bien, en este caso, el prodigio de la tecnología que, según algunos, serviría para romper todos los tipos de cifrado no ya existentes, sino incluso los imaginables, no serviría para nada. Así que, de nuevo, sería necesario que Tom Cruise se descolgara con un cable de acero desde el techo de una sala de alta seguridad para conseguir la clave, algo que parece fuera de las posibilidades del ordenador cuántico. Claro, que igual están pensando en el robot espía cuántico, lo que cambia mucho las cosas. Sí, estoy siendo sarcástico.

Cifrado asimétrico

Allá por los años sesenta, muchos expertos coincidían en que el talón de Aquiles de los sistemas de cifrado era el intercambio de claves, ya que obligaba a un encuentro físico entre los implicados o, en su defecto, al uso de sistemas menos seguros para su difusión (lo que, claro, comprometía su seguridad). Así, muchos científicos y, especialmente, matemáticos, empezaron a buscar una solución al problema de la distribución de claves, algo fundamental a medida que los canales de comunicación crecían exponencialmente (esto ocurre más o menos en los tiempos en los que la agencia gubernamental estadounidense ARPA (Advanced Research Projects Agency) empezaba a trabajar en Arpanet, una red distribuida que permitía la interconexión de de sistemas y redes, y que era en cierta medida inteligente, ya que era capaz de gestionar el tráfico de la misma de manera inteligente. La evolución de esa red llamada Arpanet es Internet.

Los primeros en dar un paso de gigante en la búsqueda de una solución a este problema fueron Whitfield Diffie y Martin Hellman, los padres del protocolo Diffie-Hellman que sentó las bases para la solución al problema de las claves, ya que fue el primero en plantear un sistema en el que emisor y receptor no tuvieran que “verse las caras” para intercambiar las claves. Se basaba en un sistema simétrico (ambos compartían la misma clave), pero sentó las bases para el cifrado asimétrico. Por cierto, precisamente Hellman, en 2007, afirmaba que el estado de los sistemas de descifrado cuántico son todavía embrionarios, y vaticinaba que aún debían faltar unos 30 años hasta que las investigaciones llegaran a algo concreto.

Después llegaron Ronald Rivest, Adi Shamir y Leonard Adleman que, tras analizar todo tipo de funciones matemáticas, encontraron una función que era reversible, pero sólo en unas condiciones muy concretas. Este sistema permite que se emplee una clave para cifrar el mensaje (la clave pública) y otra distinta para descifrarlo (la clave privada). Y, claro, la clave pública sirve para cifrar, pero no para descifrar, por lo que no hay ningún problema en difundirla: al contrario, lo recomendable es que la conozca cualquier persona que te quiera hacer llegar un mensaje cifrado. Es la clave privada, la que permite descifrar, la que no debe caer en malas manos.

En teoría, es posible averiguar una clave privada a partir de la clave pública, pero en la práctica, el sistema con el que se puede hacer (se llama factorización) requiere una capacidad de proceso de datos muy, muy superior a todo lo conocido hasta ahora. Y, dado que se puede ajustar la longitud de la clave, a mayor tamaño, mayor esfuerzo, y al hablar de esfuerzo, hablamos de que, para romper una clave RSA de 256 bits, con un sistema actual, no sería suficiente con todo el tiempo que ha transcurrido desde el Big Bang hasta ahora mismo. Sí, así de complejo es.

Superposición cuántica y la influencia del observador en la mecánica cuántica: el gato de Schrödinger

Seguro que has escuchado, en alguna ocasión, hablar de este popular gato. Especialmente desde que, casi al final de la primera temporada de Big Bang, Sheldon lo empleara como argumento para ayudar a Penny y a Leonard a tomar una decisión. La teoría del gato de Schrödinger, formulada por el físico austríaco Erwin Schrödinger en 1935, ilustra la superposición cuántica (aplicación del principio de superposición a la mecánica cuántica) que, por resumirlo mucho, que ocurre cuando un objeto existe, de manera simultánea, en más de un estado. En su teoría, plantea una caja cerrada y opaca, es decir, que desde desde el exterior es imposible ver y escuchar lo que ocurre en su interior. En su interior hay una botella de gas venenoso y un dispositivo con una partícula radiactiva, con una probabilidad del 50% de desintegrarse. Dentro de la caja, claro, hay un gato. Hasta aquí todo es comprensible (aunque no te guste que se hagan esas cosas a un pobre gato), de manera que, a partir de cierto momento, hay un 50% de posibilidades de que el gato esté vivo, y otro 50% de que esté muerto. Según el planteamiento clásico, a partir de cierto momento, y siempre antes de abrir la caja, el gato puede estar vivo o muerto. Sin embargo, la superposición cuántica plantea que, en ese momento, se producen simultáneamente los dos estados. Es decir, que de manera simultánea, y hasta que se abra la caja (momento en el que se produce la influencia del observador), el gato está vivo y muerto al mismo tiempo. Sí, eso es, vivo y muerto al mismo tiempo. Y si esto te parece “extraño”, mejor no te plantees buscar las explicaciones tras dicho planteamiento. ¿No te vale esa teoría y necesitas otra? De acuerdo, la alternativa a la superposición cuántica es la interpretación de los mundos múltiples. Es decir, en el momento en que se cierra la caja y dejas de saber cuál es el estado del gato, el universo se desdobla en dos, en cada uno de los cuales se produce uno de los estados. Es física cuántica, no le des más vueltas. Y consuélate pensando que da respuesta a muchas preguntas del estilo: “¿suena un árbol al caerse cuando no hay nadie para escucharlo?”. La respuesta es sí y no. Y no te sientas mal si no lo entiendes. Niels Bohr, uno de los padres de la mecánica cuántica dijo “Cualquier persona que pueda contemplar la mecánica cuántica sin sentir vértigo es que no la ha comprendido”.

Jaulas de Faraday y bits cuánticos

Uno de los aspectos mencionados de manera común en los artículos publicados estos últimos días sobre el ordenador cuántico, afirman que se está contruyendo dentro de una jaula de Faraday, con el fin de evitar interferencias radiomagnéticas desde el exterior. Sin embargo, y aunque esta medida tiene sentido, tampoco parece que sea la principal razón por la que el ordenador cuántico debería estar situado en una caja. Y ni siquiera tendría que ser una jaula de Faraday. En realidad, como ya comentábamos antes, para que se produzca la superposición cuántica hay que eliminar el factor de influencia del observador. Y es que esto permitiría que, los llamados bits cuánticos, en vez de encontrarse cada momento en un estado concreto (cero o uno), alcanzaran los dos de manera simultánea. Supongamos que un sistema tiene que romper una clave de 8 bits (256 permutaciones posibles desde 00000000 hasta 11111111), y que dicho sistema tarda un segundo en analizar cada una de ellas para comprobar si es la correcta. Esto dice que serían necesarios 256 segundos para chequear todas las combinaciones posibles y dar con la correcta. Cada bit que añadas, multiplica por dos el tiempo necesario y, claro, el sistema tendría que analizar, de manera secuencial, cada una de las combinaciones, es decir, que empezaría con 00000000, seguiría con 00000001, después iría 00000010 y, así, hasta el final. ¿Por qué? Por que, en cada momento, cada bit sólo puede tener un estado concreto (cero o uno). Sin embargo, amparándonos en la superposición cuántica, los bits cuánticos podrían estar, simultáneamente, en ambos estados, por lo que el tiempo para procesar todas las posibles combinaciones se reduce… sí, exacto, al tiempo que llevaría analizar una única combinación, ya que en ese tiempo se producirían todas. Así, un proceso de probar todas las posibles permutaciones de 256 bits, que como comentábamos anteriormente llevaría un tiempo mayor al transcurrido entre el Big Bang y ahora, se reduciría a un único ciclo de análisis. Cada posible combinación sería un estado.

Aquí, claro, es donde el concepto de ordenador cuántico supone una revolución, que comprometería por completo la seguridad de todos los sistemas de cifrado asimétrico, lo que acabaría no sólo con la privacidad de las comunicaciones que emplean este sistema, sino también con sistemas completos que garantizan su seguridad en el mismo. Mucho es lo que se vería comprometido, por lo que podría suponer una revolución (no necesariamente positiva) en las comunicaciones.

No obstante, todavía quedan algunos matices. El primero es que el ordenador cuántico todavía está un poco “crudo”, es decir, que todavía tendrán que pasar años hasta que una tecnología así haya sido desarrollada por el ser humano (claro, que igual la NSA ya la tiene porque el tripulante de la nave espacial alienígena que se estrelló en Roswell llevaba consigo su tablet o su portátil cuántico), más o menos cercano, pero el ordenador cuántico todavía es un proyecto, no una realidad. Esto me recuerda a cuando, hace unos pocos años, los medios de comunicación generalistas centraron su atención en que en un laboratorio se había conseguido teletransportar una partícula (que, en realidad, era un fotón). Como avance es fascinante, sin duda, pero el camino entre eso y el “Arriba Scotty” de Star Trek, todavía queda un larguísimo recorrido.

Otro matiz importante es que, en realidad, esto nunca ha sido un secreto. Ya en 2009, hay documentos públicos de la NSA, como esta entrevista, en la que el director de la agencia ya contaba que “estaban trabajando en ello”. El “Efecto Snowden” ha hecho que esta investigación gane en trascendencia, pero la agencia nunca ha ocultado su interés en desarrollar un sistema similar. Mucho de lo filtrado por Snowden ha sido una sorpresa, pero no es el caso.

Y el último, pero no por ello menos importante (en realidad es mi favorito, por eso lo he guardado para el final). El criptoanálisis se vería muy beneficiado de la existencia de los ordenadores cuánticos para atacar a los sistemas de cifrado actuales (excepto a los de clave única) pero, también de la mano de dichos sistemas, podrían llegar nuevos sistemas de cifrado, que según algunos planteamientos teóricos que ya se han desarrollado, podrían ser irrompibles no sólo con los sistemas actuales, sino también con los que promete la informática cuántica.

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