Qué es la computación cuántica y por qué puede 'teleportar' datos

¿Qué tienen en común las elecciones de Suiza en 2007, las comunicaciones del estadio de Durban durante el mundial de fútbol de 2010 y empresas anónimas de Kuwait o Luxemburgo? Todos usan un emergente sistema de comunicación virtualmente imposible de hackear para proteger sus datos: la comunicación cuántica.

La fortaleza de la comunicación cuántica reside en su debilidad. La técnica transmite claves secretas entre dos usuarios usando fotones, las partículas que componen la luz. El mero hecho de recibir y medir uno de esos fotones destruye automáticamente el mensaje que llevaba, por lo que si algún hacker intenta asomarse a la red, no conseguirá nunca descifrar la clave.

Esta es una ventaja que no existe en el internet actual. Los sistemas de seguridad para proteger los números de nuestras tarjetas de crédito cuando compramos en internet u otras comunicaciones sensibles con secretos de Estado o números de cuentas bancarias usan claves cifradas con números que son simplemente demasiado grandes. Para reventar una clave actual un ordenador tiene que encontrar factores primos. Por ejemplo, el nueve es el producto de dos factores primos: tres por tres. Cuando el número a descomponer tiene más de 3.000 dígitos, la operación se torna virtualmente imposible.

“Descomponer números de 3.000 o 4.000 dígitos que escritos cabrían en una cara de un folio llevaría millones de años de computación usando todos los ordenadores del mundo a la vez”, explica Enrique Solano, un experto en información y simulación cuántica de la Universidad del País Vasco. El tamaño de los números que se usan en las claves de seguridad han ido aumentando para contrarrestar el creciente poder de cálculo de los ordenadores actuales, pero los expertos tienen claro que llegará un día en el que se consiga superar esa barrera.

“Hoy por hoy no podemos saber quién escucha nuestras comunicaciones y tal vez esto no nos importe, pero para los sistemas de defensa, los bancos y las empresas es un problema muy importante”, resume Juan José García-Ripoll, del Grupo de Información y Computación Cuánticas de la Universidad Complutense de Madrid. “La pregunta es si seguimos fiándonos de una tecnología de encriptación que sabemos que no es segura o cambiamos esa tecnología”, añade.

En los últimos años, Europa y China compiten intensamente para dominar la comunicación cuántica. Usar fotones para transmitir claves secretas tiene sus desventajas. Los mensajes cuánticos son débiles y se pierden tras unos kilómetros si viajan por la fibra óptica actual. La otra opción es usar el aire como medio de transmisión, pero aquí la curvatura de la Tierra y las turbulencias también imponen unas limitaciones que impiden superar los cientos de kilómetros. El año pasado, un equipo de investigadores europeos logró el récord mundial de distancia de comunicación cuántica al cubrir 143 kilómetros, en concreto, entre dos estaciones en las islas de La Palma y Tenerife. En realidad, su experimento fue un ejemplo de teleportación.

El truco se basa en un pilar de la física cuántica: dos partículas entrelazadas que, a pesar de estar muy lejos, están siempre en el mismo estado. Si una cambia, la otra lo hace automáticamente, o, visto de otra forma, la partícula generada en un punto se teleporta instantáneamente a otro lugar donde está el receptor. Sólo queda crear una clave que asigne a cada estado de esa partícula un cero o un 1, como en el lenguaje binario que rige el internet actual, para convertir la luz de los fotones en una potente clave secreta que sólo emisor y receptor conocen. Las claves son tan largas como los propios mensajes y están compuestas por un flujo constante de fotones.

La seguridad de estas comunicaciones descansa en el principio de incertidumbre formulado en 1927 por el Nobel de Física Werner Heisenberg y que dice que el simple hecho de observar un fenómeno cuántico, en este caso el estado de un fotón, lo cambia para siempre. Otro Nobel de física, el austriaco  Erwin Schrödinger, intentó explicar ese fenómeno que rige en el diminuto mundo de las partículas cuánticas con un ejemplo macroscópico: un gato metido en una caja negra en la que hay también un frasco de veneno que puede romperse en cualquier momento. Pasado un tiempo, hasta que el observador no abre la caja, el gato está a la vez vivo y muerto. De la misma forma, los fotones que llevan mensajes cuánticos encriptados están vivos y muertos a la vez y el simple hecho de observar en qué estado están realmente los cambia para siempre, destruyendo el mensaje que llevan. Por eso las claves cuánticas son teóricamente inexpugnables, pues el receptor y el emisor sabrían al instante que han sido hackeados al ver que los fotones que intercambian ya no están en el mismo estado.

“Si ahora me pusiese a escuchar y almacenar todos los bits que salen de los bancos, de La Moncloa, etcétera, y me pusiese a intentar descifrarlos, tal vez en diez años podría conseguirlo”, explica García-Ripoll. En cambio, los mensajes transmitidos con comunicación cuántica, basados en qbits (por la expresión inglesa quantum bits) se crean y se destruyen en fracciones de segundo , por lo que “nunca” se podrán descifrar, señala.

La encriptación cuántica ya es una realidad, por ahora reservada a Gobiernos, bancos y otras empresas. En 2007, la compañía ID Quantique, radicada en Suiza, usó por primera vez la encriptación cuántica para transmitir de forma segura los resultados de las elecciones parlamentarias del país en 2007 y evitar posibles robos o amaños. En 2010, mientras España le ganaba la semifinal de la copa del mundo a Alemania,  las comunicaciones del estadio de Durban también estaban protegidas por estos sistemas. Sólo hay que repasar los comunicados de prensa de esta compañía para comprobar la lista de países en los que ya se usa esta tecnología: Kuwait, Holanda, Luxemburgo... “Ni siquiera dicen quién compra el producto porque si lo haces das ventaja al rival”, explica Toni Acín, líder del grupo de teoría de la información cuántica del Instituto de Ciencias Fotónicas, en Barcelona.

En EEUU, otra de las grandes empresas de criptografía cuántica, BBN technologies, parte del gigante de la industria militar Raytheon, participó en la creación de la primera red real de criptografía cuántica, establecida en 2003. Lo hizo por encargo del Ejército de EEUU, del que se piensa que ya usa en secreto estos sistemas. Japón, Suiza o Austria han hecho proyectos similares.

El mismo año del mundial, un  equipo liderado por un hacker cuántico en Noruega demostró que el sistema usado por ID-Quantique y otras empresas similares tenía fallos técnicos que permitían espiar el mensaje sin ser descubierto. El truco era no interceder en la transmisión del mensaje cuántico, sino en el detector de fotones de los aparatos comerciales. Acín trabaja ahora en el diseño de nuevos sistemas a prueba de esos ataques mientras la empresa suiza ya ha reclutado a aquel hacker, Vadim Makarov, para mejorar sus productos de seguridad.

Otros países se centran ahora en extender el alcance de las redes cuánticas. El reto es crear un internet cuántico que abarque un país, un continente, incluso todo el mundo. Hace unas semanas China dio un paso importante para conseguirlo. Un equipo de 11 científicos liderado por Jian-Wei Pan, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, ha logrado enviar fotones a una distancia récord de 400 kilómetros. Para ello han usado un satélite que ha servido de espejo para reflejar los fotones enviados por el emisor y hacerlos llegar hasta el receptor. El país ha anunciado que planea lanzar su primer satélite experimental para comunicación cúantica en 2016. “Esperamos establecer una red de comunicación cuántica entre Pekín y Viena”, ha dicho Jian-Wei Pan. De hecho, los rivales europeos y asiáticos se han aliado para crear la primera red de comunicación cuántica intercontinental usando una estación terrestre desarrollada por Austria y un satélite construido en China. Si lo consiguen, pulverizarían todos los récords actuales logrando que un mensaje cuántico recorra unos 8.000 kilómetros.

El internet cuántico a escala mundial “puede hacerse realidad en 10 años”, asegura García-Ripoll. La ciencia necesaria ya se domina y los componentes tecnológicos no son muy diferentes a los ya existentes. El sistema de comunicación cuántica se sumaría al actual, usando también cables de fibra óptica y repetidores por satélite. Esta red sería una especie de internet de las élites, ya que, al menos por ahora, este tipo de comunicación sólo es interesante cuando el primer requisito es la seguridad extrema, es decir, cuando los clientes son ejércitos, Gobiernos o grandes empresas. Tal vez por eso no sea casualidad que uno de los países más adelantados y que más apuesta por el desarrollo comercial de esta tecnología es Suiza, centro mundial de la banca con un enorme interés por seguir mantenido el secreto de sus bancos. La idea es que las claves para descifrar los mensajes se transmitan vía cuántica y los mensajes en sí discurran por los cables convencionales. Sin la clave, los mensajes son ininteligibles, simple ruido tras el que se esconderán los datos mejor protegidos del mundo.