Informática cuántica. Seguridad informática. Protocolo BB84

SEGURIDAD INFORMÁTICA

INFORMÁTICA CUÁNTICA

Para entender primero la informática cuántica debemos comprender que es la informática común. Esta es el conjunto de conocimientos técnicos que se ocupan del tratamiento automático de la información por medio de computadoras. Estas computadoras utilizan lo que se denomina BIT CLÁSICO.

BIT CLÁSICO

La unidad mínima de información que maneja un ordenador es un bit. Las personas hablando combinan 27 letras para transmitir ideas, información, etc,  en cambio un ordenador combina solo los valores 2, vivo o muerto, arriba o abajo, o como se denomina por cuestiones de practicidad 0 y 1.

Los bits NO son abstractos, se pueden adaptar a sistemas reales, cualquier cosa que pueda adoptar dos valores funciona como un bit. Ejemplo: Poner algo en el estante de arriba o en el estante de abajo, dejar o no pasar la electricidad o poner líneas o puntos.

Pero este tipo de bit no siempre se adapta tan bien a algunas cosas, entonces se crea el bit cuántico o QUBIT que da lugar a la INFORMÁTICA CUÁNTICA.

QUBIT

Es aquel bit que sigue las reglas de la mecánica cuántica.

Este bit en cambio al bit clásico, aumenta los números de estados, no solo puede estar en 0 o 1 si no que puede estar en una superposición de ambos, una mezcla de los dos estados en cualquier proporción. Estas combinaciones también pueden ser negativas, es decir, que puede haber un estado que será 0.98|0> - 0.02 |1>. Además también puede hacerse con números complejos, lo que aumenta las posibilidades a infinitas. Ejemplo: 0.94 |0> + 0.36e254i.

Todo este conjunto de estado se ve observado en la ESFERA DE BLOCH

En la actualidad hay sistemas físicos e se comportan como qubit, como por ejemplo: La polarización de un fotón, el spin de una partícula, el estado de un electrón dentro de un átomo, entre otros.

Pero hay problemas al momento de observar estos estados ya que en el mundo cuántico medir es una operación  que perturba el estado inicial y obliga al qubit a alinear en uno de los dos estados. Entonces las medidas funcionan por porcentaje, es decir que si hay 0.8|0> +0.2 |1> es más probable que salga el estado 0 y el porcentaje esta 0.2 |0> + 0.8 |1>  es más probable que el estado se proyecte en 1.

La probabilidad de medir cada estado e un módulo cuadrado del coeficiente que lo acompaña. Ejemplo: 0.8 |0> + 0.2e87i |1> seria |0.8| ^2 y |0.2|^2

¿POR QUÉ SUCEDE ESTO?

Porque el estado del qubit de manera natural no está determinado en 0 ni en 1, es una propiedad que está indefinida, pero cuando se mide, lo obligamos a dar un valor y el qubit cambia y lo encontramos en un eje, la superposición anterior cambia y se pierde.

También se puede medir en el eje horizontal (x) }, ahora en vez de obligarlo a que apunte al estado 0 o 1, lo obligamos a que apunte al estado “derecha” o “izquierda” (o como se quiera denominar). Cuanto más probabilidad haya de estar a la derecha más probabilidad habrá encontrarlo en ese estado. Ejemplo: 0.8|D> + 0.2 |I> hay un 80% de que se encuentre en el estado derecha y un 20% de que se proyecte en el estado izquierda; 0.1 |D> + 0.9 |I> hay un 90% de probabilidad de encontrarlo en el estado izquierda y un 10% de probabilidad de encontrarlo en el estado derecha.

En términos de 0 y 1 el estado derecha corresponde a sumar equitativamente el 0 + 1 y el estado izquierda a restar equitativamente 0 – 1. Lo que contrae consecuencias, porque por ejemplo 1ro mido en el eje X y miro que el resultado y se proyecta en el estado derecha, luego quiero medir en el eje Z (En terminología física  el eje Z representa el eje Y en matemática) este eje no me dará ninguna información ya que la probabilidad de que se proyecte en el 0 o 1 es de 50% para cada uno debido a que cuando lo medí en el eje X ya se proyectó en el estado derecha, es decir que la probabilidad quedo 100% para el estado derecha  y 50 % para el estado 1 y un 50% para el estado 0.

Con esto se puede ver como el orden de los factores sí altera el producto:

1ro M(X) 2do M(Z) ≠  1ro M(Z) 2do M(X)

Con esta introducción ahora se puede entender la seguridad cuántica, comportamiento de los qubits y porque son tan útiles para encriptar.

PROTOCOLO BB84

EL CIFRADO DE VERNAM

El protocolo de cifrado que se usa en criptografía cuántica es posiblemente el más sencillo de todos y hasta ahora, el único que se ha demostrado que es irrompible, el cifrado de Verman, o One Time Pad. Básicamente consiste en una clave 100% aleatoria de igual longitud que el mensaje y que lo único que hay que hacer para cifrar es un XOR con el mensaje y la clave.

¿Cuál es el problema?

Que solo se puede usar una vez, porque si usáramos dos veces la misma clave, el problema de encontrar el texto en claro sería trivial para cualquier criptoanalista. Entonces, si no podemos usar la misma clave dos veces, tendremos que hacer llegar la clave al receptor de alguna manera, o bien quedando con él antes o a través de un canal seguro. La idea del canal seguro es inútil, porque si de verdad existiera no tendríamos ni que cifrar el mensaje, respecto a lo de quedar antes en persona, es lo que se solía hacer para usar este cifrado, como los cuadernos con claves de un solo uso que se usaban en la Segunda Guerra Mundial y que Stephenson narra perfectamente en su Criptonomicón. Pero hoy día, la opción de los cuadernos de un solo uso queda totalmente fuera de uso y es poco útil en comunicaciones industriales y operaciones que se realizan a diario.

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