El fascinante mundo de la tecnología cuántica irrumpe por la puerta grande en las redes de comunicaciones con la promesa de ofrecer un alto nivel de seguridad en la transmisión de la información.
En este artículo desvelamos un poco más acerca de este avance en el que llaves y repetidores cuánticos, QKD y otras nociones como el Internet cuántico entran en escena.
Índice de temas
En qué consiste la comunicación cuántica: definición
Las redes cuánticas o “quantum networking” representan una nueva frontera en la transmisión de información, aprovechando los principios de la mecánica cuántica como el empleo de propiedades únicas de partículas subatómicas para el almacenamiento y la transferencia de datos. A través de la superposición y el entrelazamiento de partículas, se establece una conexión altamente segura y eficiente, capaz de superar las limitaciones de las redes clásicas.
Tales infraestructuras se utilizan en una variedad de aplicaciones empresariales, desde la criptografía cuántica, que garantiza una seguridad robusta para la transmisión de datos confidenciales, hasta la computación cuántica distribuida, que permite a las empresas realizar cálculos complejos de manera más eficiente y rápida que nunca. Además, las redes cuánticas tienen el potencial de transformar sectores como la logística, la atención médica y la investigación científica, al proporcionar una comunicación y análisis de datos más precisos y rápidos.
Entrando en detalle, podríamos decir que la comunicación cuántica -tomando la mecánica cuántica como base- se apoya en dos tecnologías: la computación cuántica y la criptografía cuántica.
Computación cuántica
Hace alusión a un nuevo modo de arquitectura computacional. Los ordenadores actuales transmiten la información en forma de bits que pueden adoptar el valor de 0 o 1. Las larguísimas cadenas de estos bits forman un código que se traduce en mensajes que son interpretados por programas y máquinas.
Por el contrario, los ordenadores cuánticos no trabajan con bits sino con qubits (o cúbit), también llamados bits cuánticos. Estos se basan en la mecánica cuántica y adoptan más valores que los bits. Los cúbits permiten mucha más potencia de computación, alcanzando cotas inimaginables para los equipos actuales. Con esta tecnología podremos construir computadores más pequeños, pero muchísimo más potentes.
Los cúbit en vez de usar los bits clásicos que representan unos y ceros, pueden representar ambos al mismo tiempo
Y lo veremos en todo tipo de tecnología: coches inteligentes, móviles, medicina personalizada… Además, la computación cuántica es la primera base de la seguridad ya que con los cúbits se pueden generar claves criptográficas infinitamente más seguras que las diseñadas con la criptografía actual.
Hasta hace unos años, la computación cuántica era más teórica que práctica. El problema se debe a razones físicas y matemáticas que impedían construir sistemas de más de una decena de cúbits. En 2017, sin embargo, Rusia presentó el primer ordenador cuántico de 51 cúbits, el más potente construido jamás. Este todavía no es lo suficientemente potente como para realizar todo lo que necesitamos de una tecnología de este tipo, pero demuestra que se pueden superar varios de los problemas para construir un computador útil.
Criptografía cuántica
Gracias a las propiedades cuánticas de las partículas, un mensaje no puede ser “leído” sin que cambie su estado. Esto se refiere a la partícula que transmite la información (normalmente un fotón). Por tanto, sin entrar en detalles físicos, un hacker no puede conseguir la información sin que el emisor y el receptor lo sepan. Si alguien interceptara el mensaje, inmediatamente se sabría, impidiendo la comunicación.
Objetivos de la comunicación cuántica
El objetivo de la comunicación cuántica es la creación de redes ultraseguras que podrían, en el futuro, formar la base de una Internet de qubits.
El objetivo de la comunicación cuántica es la creación de redes ultraseguras que podrían, en el futuro, formar la base de una Internet de qubits
Sin embargo, no sólo producen sistemas seguros, su meta final es la capacidad de crear correlaciones cuánticas entre dos puntos cualesquiera de la red. Esto puede ser usado para la distribución ultraprecisa de señales de tiempo, sensores cuánticos, computación cuántica distribuida, y un largo etcétera.
La criptografía cuántica: la seguridad como punto clave
Se dice que la comunicación cuántica es la comunicación del futuro y no sólo porque aporte mayor velocidad y alcance, sino -sobre todo-, porque presume de ser infinitamente más segura.
En la actualidad, los datos confidenciales se encriptan y luego se envían a través de cables de fibra óptica y otros canales, junto con las claves digitales necesarias para descifrar la información. Datos y claves se transmiten en forma de bits clásicos, un flujo de pulsos eléctricos u ópticos representados en ceros y unos. Este tipo de codificación supone un riesgo ante los hackers más avispados, que pueden leer y copiar los bits en tránsito sin dejar rastro.
La comunicación cuántica aprovecha las leyes de la física cuántica para proteger los datos
En este contexto, la comunicación cuántica aprovecha las leyes de la física cuántica para proteger los datos. Estas leyes permiten que las partículas, normalmente fotones de luz que transmiten los datos mediante los cables ópticos, tengan un estado de superposición en el que pueden adoptar un estado de cero y de uno de forma simultánea, un fenómeno conocido como superposición cuántica. Estas partículas son conocidas como bits cuánticos, o cúbits (qubits) y si un hacker intenta espiarlos mientras están siendo transferidos, su estado cuántico súper frágil “colapsa” en forma de cero o de uno. Esto significa que ningún hacker puede manipular los cúbits.
Dicho de otra manera, los datos no se pueden copiar en un sistema cuántico. Esto se debe a que los datos cuánticos son extremadamente frágiles. La más mínima permutación, incluyendo algo tan inocuo como realizar una simple medición científica, cambia los datos, dejándolos inservibles. Debido a que tal información no se puede copiar, no se puede transmitir de un nodo a otro en el sentido tradicional. En cambio, deben estar “entrelazados” en ambos puntos. Esto se logra utilizando diamantes con un tipo específico de defecto en sus “corazones” que permite a los científicos explotar un espacio vacío para entrelazar información cuántica.
Algunas empresas están aprovechando esta propiedad para crear redes de transmisión de datos altamente confidenciales basadas en un proceso denominado distribución de claves cuánticas (QKD, siglas en inglés de Quantum Key Distribution).
Las redes seguras desde el punto de vista cuántico emplean métodos criptográficos que, o bien los ordenadores cuánticos no pueden descifrar, o bien proporcionan una infraestructura de seguridad lo suficientemente resistente como para detectar y contrarrestar los intentos de descifrado cuántico.
Dicha protección se refuerza mediante una combinación de estrategias, entre ellas:
- Cifrado de datos: garantiza la confidencialidad de la información empresarial crítica, impidiendo el acceso, la divulgación o el uso no autorizados. AES-256 con distribución de clave simétrica es el estándar de oro para las redes con seguridad cuántica (Quantum Safe Networks – QSN)
- Generación, gestión y distribución sólidas de claves: refuerza las defensas de la red contra un ataque. Las claves generadas por la física clásica o cuántica pueden ser seguras desde el punto de vista cuántico, siempre que se evite la distribución asimétrica.
- Certificación independiente: verifica que las medidas de seguridad aplicadas son eficaces y están actualizadas.
- Garantía de integridad: protege los datos contra la alteración o corrupción durante la transmisión.
- Garantía de no repudio: asegura que las partes implicadas no puedan negar el envío o la recepción de mensajes cifrados.
Breve historia de la criptografía cuántica
Los científicos han buscado durante siglos un sistema que permita a dos personas intercambiar mensajes con total privacidad. En 1905 Albert Einstein afirmó que la luz viaja en haces de energía y cada uno de estos haces se conoce como cuanto de luz o fotón. La teoría de los cuantos de luz, por la que Einstein obtuvo el Premio Nobel, fue la base del posterior desarrollo de la física cuántica.
Durante las décadas de 1980 y 1990, varios investigadores desarrollaron la capacidad de manipular campos de luz con propiedades dominadas por los fenómenos de la mecánica cuántica. En esa misma época se estableció el estudio de las propiedades de la información de los sistemas cuánticos y, casi al mismo tiempo, otra vía comenzó a incursionar en la información y la computación cuánticas: la criptografía cuántica.
A principios de los años 70, el físico Stephen Wiesner introdujo el concepto de criptografía cuántica en su artículo “Conjugate Codificación” (finalmente publicado en 1983). Wiesner explica que la información cuántica (lo que ahora llamamos qubits) funciona de manera diferente a los bits clásicos en formas que podrían ser útiles para lograr tareas criptográficas que son imposibles en el mundo de la física clásica. Su idea se ilustraba con un diseño de billete de banco infalsificable.
Más adelante, Charles Bennett y Gilles Brassard desarrollaron nuevos protocolos de criptografía cuántica, superiores a los clásicos protocolos de información, como la distribución de claves cuánticas (QKD, por sus siglas en inglés). Estas claves son las bases para una comunicación ultrasegura.
La importancia de las llaves cuánticas
Las llaves cuánticas (quatum key) son un elemento fundamental de este tipo de comunicaciones. La distribución de las mismas -denominada QKD-, se presenta como una tecnología de seguridad que envía datos cifrados en forma de bits clásicos a través de las redes, pero las claves necesarias para para descifrar la información se codifican y transmiten en un estado cuántico mediante cúbits. A tal fin, se han desarrollado varios métodos o protocolos, para implementar esta distribución como BB84.
La llegada del Q-Day
El mundo está actualmente inmerso en una carrera tecnológica para reforzar la seguridad informática global antes del “Día Q,” un punto hipotético en el futuro cercano cuando actores malintencionados tendrán acceso a computadoras cuánticas lo suficientemente poderosas como para destrozar los métodos de cifrado actuales.
En concreto, QKD es un sistema que distribuye de forma segura claves de números aleatorios basadas en el hecho de que la información transportada sobre sistemas cuánticos no se puede copiar sin que ésta se corrompa. La fortaleza de los qubits desde una perspectiva de ciberseguridad es que, si un hacker intenta intervenir la comunicación, su estado cuántico “colapsa” a 1 o 0. Esto significa que un hacker no puede manipular los qubits sin revelar su actividad.
Los repetidores cuánticos
Los materiales de los cables pueden absorber fotones, lo que significa que normalmente solo pueden viajar unas pocas decenas de kilómetros. Para compensarlo, las redes clásicas usan repetidores en varios puntos a lo largo de un cable para amplificar la señal.
Las redes QKD pueden aprovechar un enfoque similar, creando “nodos de confianza” en varios puntos. En estas estaciones, las claves cuánticas se descifran en bits y luego se vuelven a cifrar en un nuevo estado cuántico para viajar al siguiente nodo. Pero esto significa que realmente no se puede confiar en los nodos de confianza: si un hacker viola la seguridad de los nodos podría copiar los bits sin ser detectado y adquirir la clave, al igual que las empresas y gobiernos que controlen los nodos.
Para un funcionamiento ideal, hacen falta repetidores cuánticos o estaciones de paso con procesadores cuánticos integrados que permitan que las claves de cifrado permanezcan en estado cuántico a medida que se amplifican y se envían a largas distancias.
Hay otro problema con la QKD. Los datos subyacentes se siguen transmitiendo en forma de bits cifrados a través de las redes convencionales. Esto significa que un hacker que viole las defensas de la red podría copiar los bits sin ser detectado, y luego usar un ordenador con mucha potencia para intentar descifrar la clave.
Los algoritmos de cifrado más potentes son bastante robustos, pero el riesgo es lo suficientemente grande como para que algunos investigadores hayan optado por investigar un enfoque alternativo conocido como teletransporte cuántico.
Teletransporte cuántico
Existe. Es un método real que consiste en transmitir datos en estado cuántico al 100%. Este enfoque se basa en un fenómeno cuántico conocido como entrelazamiento. Dicho fenómeno físico funciona de la siguiente manera: si tenemos dos partículas entrelazadas, al cambiar el estado de una de ellas cambiará el estado de la otra, automáticamente. Esto ocurre sin que medie ningún tipo de transmisión de por medio: no hay onda, no hay señal, no hay nada. En teoría, podríamos usar estas partículas para transmitir información sin que existiese canal alguno de por medio.
El teletransporte cuántico, pues, se basa en parejas de fotones entrelazados. Uno de ellos se envía al destinatario y el otro al remitente de la información. Cuando el emisor recibe su fotón entrelazado, lo deja interactuar con un cúbit de memoria que contiene los datos que quiere transmitir al destinatario. Esta interacción cambia el estado de su fotón, y como está entrelazado con el del destinatario, esa interacción también cambia instantáneamente el estado de su fotón.
En efecto, esto “teletransporta” los datos al cúbit de memoria del emisor desde su fotón hasta el del receptor.
Se está investigando en la creación de redes de teletransporte capaces de distribuir fotones entrelazados. Pero aumentar su alcance será un gran desafío científico e ingeniero. Entre los numerosos obstáculos está el de encontrar formas seguras de generar muchos fotones entrelazados a demanda y mantener su enlazamiento en distancias muy largas, algo que sería más fácil con repetidores cuánticos.
Codificación
Otra propiedad importante de la comunicación cuántica que ya hemos mencionado antes es la codificación cuántica. Frente a la comunicación clásica en la que la información se codifica en bits (con valor 0 o 1), en la cuántica la información se codifica en qubits, que pueden tener múltiples valores al mismo tiempo gracias al fenómeno de superposición cuántica. Esto permite una mayor capacidad de almacenamiento y transmisión de información.
Diferencias entre comunicación cuántica y blockchain
Las claves generadas por la comunicación cuántica o QKD se basan en los estados de las partículas cuánticas (como los fotones). De esta forma, se forma una cadena de ceros y unos. Ante cualquier problema de comunicación entre el emisor y el receptor, la cadena cambia de inmediato evitando su descifrado.
Por su parte, el blockchain o cadena de bloques recurre a métodos muy difíciles de romper. El cómputo actual que existe para acabar con ellos es tan grande que no habría tiempo en 100, 200 años o más, de quebrar ese código secreto. Pero todos los códigos actuales son en principio rompibles. El cuántico es el único que, en principio, no lo es.
El concepto de Internet cuántica
Como pasa con la Internet tradicional, la Internet cuántica se trata de una red de redes que abarca todo el mundo, pero con la diferencia de que las redes de comunicaciones subyacentes serían cuánticas.
Su surgimiento no supondrá la desaparición de la Internet que conocemos y usamos habitualmente, que seguirá operando mediante la transmisión de bits clásicos. Se empleará por parte de organizaciones que precisan asegurar datos valiosos y también para conectar la información que fluye entre los ordenadores cuánticos. Estaríamos hablando de una Internet cuántica que no precisaría de servidores, sino una red configurable -con actualizaciones y cambios-, sin un protocolo.
Eso sí, algunos investigadores advierten que una Internet completamente cuántica puede ser vulnerable a nuevos ataques que también sería cuánticos… No obstante, no hay que olvidar que la Internet cuántica se perfila como un conjunto de sistemas, protocolos y dispositivos teóricos que permiten conexiones extremadamente seguras entre ordenadores. Es esa seguridad el germen de su creación.
Ventajas de la comunicación cuántica
Las redes cuánticas traen consigo una serie de beneficios significativos.
Seguridad
En primer lugar, la seguridad mejorada garantiza la protección de datos sensibles. Al proporcionar una capa adicional de seguridad a través de la criptografía cuántica o cifrado cuántico, las redes cuánticas pueden salvaguardar a las empresas de las amenazas cibernéticas avanzadas y los ataques malintencionados. No en vano, la gran promesa de la comunicación cuántica es que será imposible hackear la transmisión sin dejar rastro.
Comunicación instantánea
Otra de las ventajas que aportan las redes cuánticas es la rapidez con la que se consigue en una comunicación instantánea gracias a la latencia, al estar entrelazadas las partículas. Estas infraestructuras son significativamente más rápidas que las redes clásicas. Mientras que estas últimas señales eléctricas para transmitir datos que sólo pueden viajar a la velocidad de la luz, las redes cuánticas emplean el entrelazamiento cuántico para transmitir datos, que son instantáneos. Esta velocidad que consiguen las hace ideales para aplicaciones que requieren comunicación en tiempo real.
Más productividad e innovación
Además, la capacidad de realizar cálculos complejos de manera más eficiente puede aumentar la productividad y la innovación en múltiples sectores. Las empresas pueden realizar análisis de datos avanzados de manera más rápida, lo que les permite tomar decisiones informadas en tiempo real y adaptarse rápidamente a las condiciones cambiantes del mercado.
Eficiencia y confiabilidad
Las redes cuánticas también son más eficientes que las redes clásicas. En las clásicas, los datos se envían en forma de paquetes, que pueden perderse o retrasarse en tránsito. Esto puede provocar pérdida de datos, retrasos y otros problemas que pueden afectar la eficiencia de la red. ¿Qué ocurre con las redes cuánticas? Efectivamente, gracias al entrelazamiento cuántico para transmitir datos, resultan más eficientes y confiables, disminuyendo el riesgo de pérdida o retrasos en los datos.
Escalabilidad
Otro punto a favor de las redes cuánticas es su escalabilidad. Las infraestructuras tradicionales tienen una escalabilidad limitada porque dependen de infraestructura física, como cables y enrutadores, para transmitir datos. Esto significa que a medida que la red crece, se vuelve más compleja y difícil de gestionar. Las redes cuánticas, por otro lado, no están limitadas por la infraestructura física, lo que las hace más escalables y haciendo posible que puedan utilizarse para crear redes a gran escala que sean más eficientes y fáciles de gestionar que las clásicas.
Preparada para el futuro
Las redes cuánticas están preparadas para el futuro porque se basan en los principios de la mecánica cuántica, que es poco probable que cambien. A medida que la tecnología continúa evolucionando, las redes clásicas pueden volverse obsoletas.
Inconvenientes actuales de las redes cuánticas
La rápida evolución de la computación cuántica -que permite operar con algoritmos mucho más eficientes a nivel numérico-, lleva implícita una gran amenaza en lo que concierne a la seguridad y que supondrá un cambio en la forma en que encriptamos nuestros datos.
Con esta preocupación en mente, el desarrollo de las redes cuánticas sigue su curso con algunos escollos en el camino como la decoherencia cuántica o la pérdida de la información cuántica debido a la interacción con el entorno. Se trata de un obstáculo para la transmisión de información cuántica a largas distancias y sigue siendo objeto de investigación.
Decoherencia cuántica, tasa de transmisión de bits, coste, seguridad, distancia máxima y técnicas para el codificado óptimo son algunas de las limitaciones que se encuentran en el desarrollo de redes cuánticas
No es el único. Las implementaciones de comunicaciones cuánticas en general y la distribución de claves cuánticas en particular se enfrentan a limitaciones como la tasa de transmisión de bits, coste, seguridad, distancia máxima, así como en la búsqueda de técnicas para el codificado óptimo que permitan abordar los límites fundamentales de la tecnología.
Avances y desafíos de la comunicación cuántica en 2024
Las redes cuánticas aún se encuentran en una etapa incipiente de adopción generalizada por lo que todavía queda para su prometedora eclosión. De hecho, según el análisis realizado por Gartner, Hype Cycle for Enterprise Networking 2023, el momento de plenitud de esta tecnología tendrá lugar en los próximos 10 años. Estaríamos hablando de una Internet cuántica que no precisaría de servidores, sino una red configurable -con actualizaciones y cambios-, sin un protocolo. Y esto supone un gran desafío.
La plenitud de las comunicaciones cuánticas tendrá lugar en los próximos 10 años
Hasta que lleguemos a ese punto falta, pero a día de hoy vemos cada vez más avances en este terreno con el lanzamiento de un mayor número de redes QKD en el mercado. Aunque China ha sido pionera en estos desarrollos con enlaces terrestres de miles de kilómetros que ya utilizan varios bancos y compañías financieras para transmitir datos, Estados Unidos y Europa también han entrado en la carrera.
China, a la vanguardia
China lleva la delantera en el desarrollo de la Internet cuántica. En enero de 2017, la Academia de Ciencias de China demostró poder integrar la tecnología cuántica con la comunicación por satélite mediante el lanzamiento -años antes-, del satélite de comunicaciones cuánticas Micius. En julio, el Instituto Jinan de Tecnología Cuántica demostró que podía crear un servicio para 200 personas en el cual los mensajes se transmitieran gracias a la tecnología cuántica. El resultado, aunque exitoso, todavía quedaba un poco lejos de poder convertirse en algo común para todos los públicos. El satélite ayudó a organizar la primera videoconferencia intercontinental, asegurada por QKD, entre Pekín y Viena (Austria). Una estación terrestre ya conecta el satélite con la red terrestre de Pekín a Shanghái.
Así pues, el gigante asiático ha podido combinar el trabajo de este satélite con el de las redes de fibra óptica metropolitanas multinodo de Pekín. Unida al resto de estaciones, que se encuentran separadas a más de 7.600 Km. Esta es la red cuántica más grande actualmente y se ha convertido en el primer país en contar con la primera red de comunicación cuántica del mundo. Con más de 700 fibras ópticas puede distribuir claves cuánticas por 4.600 kilómetros, desde la ciudad de Xinlong a Shanghai.
China planea lanzar más satélites cuánticos, y varias ciudades del país están creando planes para las redes municipales de QKD.
Estados Unidos coge carrerilla
La gran potencia americana llegó tarde a la carrera, pero ha cogido fuerza en los últimos años. Desde 2019 cuando una startup llamada Quantum Xchange llegó a un acuerdo que le daba acceso a más de 800 kilómetros de cable de fibra óptica a lo largo del país para crear una red QKD, hasta la actualidad se han dado pasos de gigante. De hecho, en mayo de 2024 físicos de Harvard desarrollaron una red cuántica a prueba de hackers. Según los científicos, la distancia de 22 millas entre nodos convierte a esta red de fibra cuántica en la más larga hasta la fecha.
El viejo continente despierta con mucha fuerza
Europa tiene su propio proyecto de comunicación cuántica: EuroQCI Iniciativa Europea de Infraestructuras de Comunicación Cuántica. A finales de 2021 se presentó el primer boceto de la futura red y este 2024 se encargó al consorcio Nostradamus liderado por Deutsche Telekom la construcción de la infraestructura de pruebas para la distribución de claves cuánticas (QKD).
Asimismo, la GSMA formó en 2022 el GSMA Post-Quantum Telco Network Taskforce, con IBM y Vodafone como miembros iniciales, para ayudar a definir la política, la regulación y los procesos empresariales de los operadores para la protección mejorada de las telecomunicaciones en un futuro de computación cuántica avanzada.
Bien es cierto que en la región fue Suiza el país que apostó en su día por invertir e instalar redes cuánticas, pero ahora más estados se han sumado a esta apuesta y España ocupa un puesto relevante en investigación y desarrollo de esta tecnología.
España despunta
España no se queda atrás en la carrera cuántica. En marcha hay iniciativas como Quantumcat, en Cataluña, que trabajan por la construcción e implementación de protocolos criptográficos más fuertes y rápidos; la demostración del funcionamiento de las memorias cuánticas en entornos reales para realizar comunicación cuántica a larga distancia; y la mejora de las herramientas teóricas para lograr estos objetivos.
Igualmente, el Grupo de Investigación en Información y Comunicación Cuántica de la UPM, liderado por el catedrático Vicente Martín, es pionero a nivel mundial en aplicación de criptografía cuántica en redes comerciales de fibra óptica basadas en SDN. En 2006 instaló el primer enlace QKD punto a punto del país, en colaboración con Telefónica. Desde 2009 han hecho diversas pruebas de campo controladas y, en 2018, el grupo realizó una experiencia pionera en el mundo, al usar tecnología QKD, junto con tecnología SDN, en redes ópticas comerciales ubicadas en tres instalaciones de Teléfonica en Madrid, con proyectos de la Comunidad de Madrid. Todo este esfuerzo ha dado lugar al nacimiento de MadQCI (Madrid Quantum Communication Infrastructure), un gran paso para la configuración de la red cuántica europea (EuroQCI) que cubrirá todo el continente y que contará con varios nodos siendo uno de los más grandes el de la capital de España.
