Criptografia quàntica

La criptografia quàntica és la criptografia que utilisa principis de la mecànica quàntica per a garantisar l'absoluta confidencialitat de l'informació transmesa. La criptografia quàntica com a idea es va propondre en 1970, pero fins a 1984 no es va publicar el primer protocol.

Una de les propietats més importants de la criptografia quàntica és que si un tercer intenta espiar durant la creació de la clau secreta, el procés s'altera detectant-se a l'intrús ans que es transmeta informació privada. Açò és conseqüència del teorema de no clonat.

La seguritat de la criptografia quàntica descansa en les bases de la mecànica quàntica, a diferència de la criptografia de clau pública tradicional que descansa en supòsits de complexitat computacional no demostrada de certes funcions matemàtiques.

La criptografia quàntica està propenca a una fase de producció massiva, utilisant làserés per a emetre informació en l'element constituent de la llum, el fotó, i conduint esta informació a través de fibres òptiques.

Conceptes bàsics

La criptografia és la disciplina que tracta de la transmissió i almagasenament de senyes de manera que no puguen ser compresos ni modificats per tercers. Els diferents métodos de criptografia actualment utilisats necessiten que dos persones que desigen comunicar informació intercanvien de forma segura una o més claus; una volta que les claus han segut intercanviades, els interlocutors poden transferir informació en un nivell de seguritat conegut. Pero esta forma de treballar basa la seguritat de les transmissions exclusivament en l'intercanvi de claus. La forma més segura de realisar este intercanvi de claus és de manera presencial, pero això no és possible en la majoria dels casos, donat el múltiple número d'interlocutors en els que es desija intercanviar informació confidencial (bancs, tendes en Internet, colegues de treball en sèus distants, etcétera). De manera que el punt a on hi ha menor seguritat en l'intercanvi d'informació confidencial està en el procés d'intercanvi i transmissió de les claus.

La mecànica quàntica descriu la dinàmica de cada partícula quàntica (fotons, electrons, etc.) en térmens d'estats quàntics, assignant una provabilitat a cada possible estat de la partícula per mig d'una funció.

Alguns aspectes a considerar de la mecànica quàntica:

• Superposició: Una partícula pot posseir més d'un estat al mateix temps, en atres paraules, es troba en realitat "repartida" entre tots els estats que li siguen accessibles.

• La medició no és un procés passiu com se suponia en la mecànica clàssica, ya que altera al sistema.

• Colapse d'estats: Una partícula que es troba repartida entre tots els seus estats accessibles, en ser medida s'altera el seu estat superpost determinant en quin estat particular, d'entre una varietat d'estats possibles, es troba.

• Incertitut: En la teoria quàntica, alguns parells de propietats físiques són complementàries (per eixemple, la posició i el momentum), en el sentit de que és impossible saber el valor exacte d'abdós. Si es medix una propietat, necessàriament s'altera la complementària, perdent-se qualsevol noció del seu valor exacte. Quant més precisa siga la medició sobre una propietat, major serà l'incertitut de l'atra propietat.

• Entrelazamiento: Dos partícules quàntiques poden tindre estats fortament correlacionados, degut a que es varen generar al mateix temps o a que varen interactuar, per eixemple, durant un choc. Quan açò ocorre es diu que els seus estats estan entrellaçats, lo que provoca que la medició sobre una d'elles determina immediatament l'estat de l'atra, sense importar la distància que les separe. Este fenomen s'explica aplicant les lleis de conservació del moment i de l'energia. (vore Paradoxa EPR)

Les partícules utilisades habitualment en la criptografia quàntica són els components de la llum o fotons, i els estats que s'utilisen per a ser entrellaçats o superposts entre sí són els seus dos estats de polarisació, que és una de les característiques conegudes de la llum, encara que no siga directament perceptible.

Un fotó pot ser polarisat artificialment en una direcció en particular sobre la seua direcció de desplaçament. Dita polarisació pot ser detectada per mig de l'us de filtres, orientats en el mateix sentit en el que la llum va ser polarisada. Estos filtres deixen passar els fotons polarisats en un estat i absorbixen els polarisats en l'atre.

Història

L'idea fundacional de la criptografia quàntica s'atribuïx a Stephen Wiesner, qui al començament de la década de 1970 va formular la codificació conjugada (conjugate coding). El seu manuscrit va ser rebujat llavors per l'àmbit de la teoria de l'informació del IEEE, i es va publicar anys més vesprada, en 1983, en ACM SIGACT News. En eixe treball, Wiesner va introduir conceptes com els diners quàntics i un canal de multiplexación quàntica que permet al receptor llegir un de dos mensages codificats en observables no conmutativos (per eixemple, polarisació llineal i circular), destruint la possibilitat de recuperar l'atre en realisar la medició.

En 1984, Charles H. Bennett i Gilles Brassard varen presentar el protocol BB84, primer esquema pràctic de distribució de claus quàntiques (QKD), que aprofita estats quàntics no ortogonals i el principi de indeterminación per a detectar la presència d'un espia. Poc despuix, Bennett va propondre una variant minimalista basada en sol dos estats, coneguda com B92 (1992).

En 1991, Artur Ekert va desenrollar el protocol E91, que propon un enfocament alternatiu basat en entrelazamiento quàntic i en la verificació de desigualtats de Bell per a garantisar la seguritat de la clau compartida.

Les primeres demostracions experimentals de QKD es varen realisar a finals dels anys 1980 i principis dels 1990; un experiment pioner va ser reportat per Bennett, Brassard i colaboradors en 1992. Per a panorames històrics i tècnics pot consultar-se, entre uns atres, el repàs de Gisin i coautores.