Nuevo test para certificar el entrelazamiento y la no localidad en un sistema cuántico

Quieres comprar el ordenador cuántico o el sistema de criptografía cuántica que la empresa «fulanita» te vende. ¿Quién te certifica que es un sistema cuántico que usa el entrelazamiento y la no localidad? No puedes confiar a ciegas en lo que te diga la empresa. Tampoco puedes verificar la desigualdad de Bell (1964) o la CHSH, por Clauser, Horne, Shimony y Holt (1969), pues para ello tienes que acceder a las «tripas» del sistema y la empresa «fulanita» te quitará la garantía. Se acaba de publicar en Nature la solución a tu problema. Ben W. Reichardt (Universidad del Sur de California, Los Angeles, EE.UU.), Falk Unger (Knight Capital Group, Santa Clara, California EE.UU.) y Umesh Vazirani (Universidad de California, Berkeley, EE.UU.) han publicado una nueva versión del test CHSH mucho más fácil de verificar en la práctica, al que podemos bautizar como test RUV (por Reichardt, Unger y Vazirani). Nos lo cuentan Stefano Pironio, Dorit Aharonov, «Quantum physics: A grip on misbehaviour,» Nature 496: 436–437, 25 Apr 2013; el artículo técnico es Ben W. Reichardt, Falk Unger, Umesh Vazirani, «Classical command of quantum systems,» Nature 496: 456–460, 25 Apr 2013.

El test RUV verifica las correlaciones cuánticas entre dos sistemas que se comportan como cajas negras a las que podemos acceder sólo mediante una interfaz clásica muy sencilla. En concreto, el observador externo sólo puede realizar a cada caja negra dos preguntas pulsando sendos botones marcados con «0» y «1», a las que el sistema puede contestar con sólo dos respuestas, también marcadas con «0» y «1» (ver la figura que abre esta entrada). El observador externo no sabe lo que significan estas preguntas (qué propiedades físicas del sistema estudian) e ignora el proceso que produce las respuestas. El sistema se puede consultar tantas veces como se desee. Las correlaciones cuánticas no triviales entre ambos sistemas dejan una marca en las respuestas clásicas que permite verificar la no localidad y el entrelazamiento entre ellos con una certeza similar al test CHSH. El nuevo test RUV promete entrar con brío en el panorama del procesado de información cuántica, la criptografíca cuántica y la computación cuántica. 

Quizás puedas pensar que un ordenador cuántico está todavía lejos y que el test RUV tiene poca utilidad práctica, pero te equivocas. Ya hace más de una década que se pueden adquirir sistemas de cifrado de alta seguridad basados en criptografía cuántica para la distribución cuántica de claves (QKD). ¿Son seguras las implementaciones de estos protocolos que se venden comercialmente? ¿Qué nivel de seguridad tienes estas implementaciones comerciales? O lo que es más importante, ¿puedes confiar en la empresa que los comercializa?

Cualquiera puede utilizar el nuevo test RUV para verificar y/o certificar si un sistema QKD comercial funciona como tiene que funcionar, tomando dicho sistema como una caja negra a la que podemos interrogar con información clásica. Un proceso parecido a un interrogatorio de un policía a dos ladrones sobre un crimen; aunque el policía no sepa nada sobre el crimen puede verificar la consistencia de las respuestas de ambos ladrones para certificar su autoría. Tiempo al tiempo, para todo augura que pronto habrá empresas de certificación de sistemas cuánticos basadas en protocolos similares al test RUV a las que recurrirán tanto los usuarios finales como las propias empresas fabricantes. Como dicen que dijo Michael Faraday al primer ministro británico: «algún día, señor, cobrará impuestos por esto.» 

Francis en TrendingCiencia: Cifrado cuántico desde un avión a 300 km/h

Mi nuevo podcast en Trending Ciencia ya está disponible. Si te apetece escuchar el audio, sigue este enlace. Como siempre una transcripción.

Mi nueva noticia de Física es sobre computación cuántica; en concreto, sobre cifrado cuántico, también llamado criptografía cuántica. Físicos de la Agencia Espacial Alemana (conocida por sus siglas en alemán DLR) y de la Universidad de Ludwig Maximilians en Múnich (conocida por sus siglas LMU), han logrado ejecutar el protocolo cuántico de distribución de claves llamado BB84 desde un avión moviéndose a 290 km/h hasta una estación receptora en tierra situada a unos 20 km de distancia. ¡Increíble!

Sebastian Nauerth (del LMU) y sus colegas han publicado su logro el 31 de marzo en la revista Nature Photonics. El artículo técnico es Sebastian Nauerth, Florian Moll, Markus Rau, Christian Fuchs, Joachim Horwath, Stefan Frick & Harald Weinfurter, «Air-to-ground quantum communication,» Nature Photonics, AOP 31 Mar 2013. También recomiendo leer a Hamish Johnston, «Quantum signal sent from aircraft,» Physics World, Apr 5, 2013; y a John Timmer, «Quantum encryption keys obtained from a moving plane. A technical demonstration shows that an exchange with satellites is possible,» Ars Technica, Apr 2 2013.

La criptografía cuántica es capaz de detectar a un intruso en el escenario más paranoico posible

La clave secreta de tu cuenta bancaria online puede estar bien guardada en tu cerebro, pero alguien que pueda manipular tu ordenador de forma maliciosa con absoluta libertad tiene muchos medios para descubrirla. La criptografía clásica no puede hacer nada, pero la cuántica sí que puede. Los paranoicos de la seguridad tienen un protocolo cuántico capaz de detectar intrusos en el peor escenario posible. Un nuevo protocolo de criptografía cuántica capaz de luchar contra el libre albedrío del manipulador del equipo y contra cualquier manipulación posible de dicho equipo se ha presentado hoy en el congreso anual de la AAAS de 2012. El nuevo protocolo ha sido obtenido por uno de los mayores expertos mundiales en cifrado cuántico, Artur Ekert, profesor de la Universidad de Oxford, GB y director del Centro de Tecnologías Cuánticas de la Universidad Nacional de Singapur. Me he enterado gracias a Jenny Hogan, «Twists to quantum technique for secret messaging give unanticipated power,» EurekAlert!, 18 Feb. 2012, que no presenta detalles del nuevo protocolo cuántico. Ekert presentará en su charla «A Powerful Twist on Quantum Cryptography,» 2012 AAAS Meeting, un protocolo de cifrado cuántico independiente del dispositivo (device independent cryptography) basado en su reciente artículo Koh et al., «The effects of reduced «free will» on Bell-based randomness expansion,» ArXiv, 16 Feb 2012; supongo que será similar al publicado por Barrett, Colbeck y Kent, «Prisoners of their own device: Trojan attacks on device-independent quantum cryptography,» ArXiv, 20 Jan 2012.

¿Quieres saber algo más sobre cifrado cuántico? Te recomiendo la lectura del breve artículo de Artur Ekert, «Cracking codes,» +plus magazine, March 1, 2005, y «Cracking codes, part II,» +plus magazine, April 30, 2005. El artículo de Artur Ekert, «Less reality, More Security,» también merece una lectura.

También en este blog: «Un protocolo “doble ciego” de computación cuántica universal,» 20 enero 2012, y «¿Podrá la NASA diseñar un protocolo cuántico que asegure fuera de toda duda que una persona ha pisado Marte?,» 16 noviembre 2011.

Monedas cuánticas, anonimato y dinero elecctrónico

El dinero electrónico tiene dos problemas graves, cómo evitar su falsificación y cómo garantizar el anonimato de su propietario. La teoría del cifrado cuántico de información permite desarrollar monedas cuánticas con estas propiedades. Todas las monedas cuánticas tienen la misma denominación y están representadas por estados cuánticos idénticos. La idea del dinero cuántico no es nueva, fue propuesta en 1983, pero hasta 2003 no se logró que el dinero cuántico garantizara el anonimato, eso sí, a costa de ser vulnerable a ciertas falsificaciones. Los autores proponen dos nuevos modelos para el dinero cuántico basados en ideas previas de Scott Aaranson (2005) que garantizan la propiedad de anonimato y no son falsificables. Un gran avance en cifrado cuántico desde el punto de vista teórico que quizás en un futuro no muy lejano sea realizado de forma práctica en laboratorio. El artículo técnico es Michele Mosca, Douglas Stebila, «Quantum Coins,» ArXiv, 6 Nov 2009.