Mecánica cuántica crea un generador de números totalmente aleatorio

La máquina de Peter Bierhorst no es el pináculo del diseño. Ubicado en las Montañas Rocosas dentro de una instalación para el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, el gigantesco generador de fotones se extiende por todo un edificio. Sus láseres, espejos y lentes se dividen en tres laboratorios, dos de ellos en extremos opuestos del edificio en forma de L. Todo está conectado con casi 900 pies de fibra óptica. «Es un sistema prototipo», explica el matemático. «Algo puede desviarse de la alineación, y todo deja de funcionar». Podría tomar algunos días descubrir qué salió mal «.

En un buen día, la máquina produce 1.024 bits de datos cada 10 minutos, lo que equivale a escribir 13 letras por minuto. Pero promete lo que incluso los monos en máquinas de escribir no pueden: texto completamente aleatorio.

Que es mucho más importante de lo que piensas Los protocolos de criptografía , como los que aseguran la información de su tarjeta de crédito en línea y sus correos electrónicos encriptados, dependen de largas cadenas de números aleatorios. Mientras menos adivinable sea el número, mayor será la seguridad.

Pero los números a menudo no son tan aleatorios como cabría esperar. «Hay una serie de documentos que muestran debilidades en la criptografía porque las claves no tienen suficiente aleatoriedad», dice Grégoire Ribordy, CEO de ID Quantique, una empresa suiza que fabrica generadores comerciales de números aleatorios. Algunos dispositivos en realidad cifran información utilizando números generados por algoritmos, lo que significa que si adivinas el algoritmo , los números son completamente predecibles. Otros generadores de números aleatorios pueden convertir el ruido eléctrico, como pequeñas fluctuaciones en el voltaje, en cadenas de números. Pero con el tiempo, estos generadores se deterioran y terminan produciendo números que exhiben patrones. (Los monos mecanográficos exhibirían patrones también, dictados por la longitud relativa de sus dedos y el diseño del teclado QWERTY.) Cualquier patrón discernible es un riesgo de seguridad.

Por eso, hace un par de años, el equipo de Bierhorst decidió desarrollar un generador de números que fuera perfectamente, probadamente aleatorio. En el mundo de la criptografía, eso significa «números que no pueden predecirse», dice Ribordy. ¿Y qué es aleatorio? Mecánica cuántica.

Es así: incluso si repites un experimento cuántico preparando una partícula cuántica exactamente en el mismo estado inicial, sometiéndola a las mismas condiciones, midiendo su orientación después de la misma cantidad de tiempo, puedes terminar con resultados totalmente diferentes. . Esto es diferente a dar la vuelta a un cuarto, donde sus condiciones iniciales -la fuerza de tu pulgar, la dirección de los vientos- determinan el resultado antes de que aterrice. El resultado de «voltear» una partícula cuántica diminuta solo existe como probabilidades hasta el momento en que «aterriza». Los electrones, fotones y átomos son realmente, en realidad, aleatorios.

Desde hace varios años, compañías como Ribordy’s han vendido generadores cuánticos de números aleatorios basados ​​en fotones. El esquema de codificación puede ser complicado, pero más o menos, los fotones orientados en una dirección representan 1, mientras que los orientados en otra dirección representan 0. Sin embargo, estos productos aún tienen una vulnerabilidad potencial. Alguien, o algo así, como el ruido ambiental, podría haberse infiltrado en la máquina e insertado un sesgo en los estados de los fotones, una mancha en su aleatoriedad perfecta. Un usuario no puede probar que estos generadores son aleatorios, dice Ribordy.

Entonces el equipo de Bierhorst se propuso diseñar una máquina que pudiera probar su propia aleatoriedad. Esto implicó mucha matemática. Utilizando un teorema de la mecánica cuántica conocido como desigualdad de Bell , Bierhorst diseñó una prueba que podría mostrar si algo podría haber manipulado los fotones para introducir patrones o sesgos. Puedes aplicar esta prueba cada vez que generes un número, y escupe un número que te dice, con seguridad, si alguien ha interferido con su fotón representativo.

Agregaron una característica adicional para certificar de ultra la aleatoriedad del generador de números: para que alguien pueda interferir con los números de salida, también tendría que manipular un detector en un laboratorio mientras simultáneamente le indica a otra persona en otro detector lo que hacen. d hecho.

Es por eso que construyeron la máquina para que sea tan grande. Un pirata informático tendría que enviar un mensaje más rápido que la velocidad de la luz para señalar los extremos opuestos de la máquina. Lo cual es, de acuerdo con las leyes de la física, imposible. Su máquina produce señales aleatorias codificadas en fotones, y nada puede alterar los fotones a menos que pueda viajar más rápido que la luz. QED.

No está claro si esta máquina podría eventualmente comercializarse, dice Ribordy. En este momento es muy costoso, requiere un sistema de refrigeración costoso, y es muy grande. Para el cifrado, también necesitarían generar números aleatorios más rápido. Eventualmente, sería genial si redujeran la configuración para encajar en un chip, dice Bierhorst: un generador de números aleatorios en cada computadora portátil, de modo que nadie vuelva a utilizar esos números basados ​​en algoritmos para el cifrado.

Pero en NIST, no se preocupa por comercializar la tecnología. En su lugar, quieren convertirlo en un servicio público : un generador de números en línea, administrado por el gobierno y confiablemente al azar.

A partir de 2013, en realidad ofrecieron una versión beta de este servicio, llamada NIST Randomness Beacon . Produce un número aleatorio de 512 bits por minuto y actualmente se basa en generadores de números aleatorios comerciales, pero quieren incorporar pronto la máquina de Bierhorst al sistema.

Como estos números son públicos, no se pueden usar para el cifrado. Pero Rene Peralta, un científico informático del NIST a cargo del servicio, dice que los gobiernos están interesados ​​en usar los generadores de números aleatorios para evitar la corrupción. Por ejemplo, Peralta está trabajando con el gobierno de Chile para utilizar potencialmente el Randomness Beacon para llevar a cabo auditorías gubernamentales. Quisieran usar números aleatorios para elegir de manera justa qué funcionarios auditar, lo que también los ayudará a evitar acusaciones de colusión. El gobierno de Brasil también está interesado en utilizar números aleatorios para asignar casos judiciales a los jueces, en un esfuerzo por mostrarles a los ciudadanos que el sistema judicial es justo.

Pero para Bierhorst, el generador de números aleatorios no es solo una herramienta práctica. Sus pruebas son una prueba más de que las partículas de la mecánica cuántica realmente existen en probabilidades extrañas y no pueden predeterminarse. «Es emocionante poder decir que la aleatoriedad existe en el universo», dice. Y ahora, tal vez, podemos usar esa aleatoriedad para asegurar nuestros destinos digitales.

Criptografía cuántica

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