En los últimos años, la academia, la industria y el gobierno han invertido energía y recursos en el campo de la computación cuántica, en computadoras que explotan los fenómenos de la mecánica cuántica para resolver problemas matemáticos que son difíciles o poco prácticos para las computadoras convencionales.
Si alguna vez se pone en marcha la producción a gran escala de computadoras cuánticas, podrán destruir muchos de los sistemas criptográficos de clave pública (o asimétrica) actualmente en uso. Esto socavaría gravemente la confidencialidad e integridad de las comunicaciones digitales en Internet y en otros lugares.
En este contexto, el objetivo de la criptografía post-cuántico (o seguro cuántico) consiste en desarrollar cifrados que sean seguros, tanto de los ataques de criptoanálisis realizados con computadoras cuánticas como de los clásicos, y que puedan interactuar al mismo tiempo con los protocolos y redes de comunicación existentes.
Si bien la criptografía de clave pública, el cifrado de clave doble para el cifrado / descifrado puede verse seriamente amenazado por la llegada de las computadoras cuánticas, la criptografía simétrica (o privada) y las funciones hash dependen de problemas resistentes a algoritmos cuánticos. Entre estos, la mayor amenaza para los cifrados simétricos está representada porAlgoritmo de Grover (concebido por Lov Grover en 1996 en i Bell Labs1). Este algoritmo que se ejecuta en una computadora cuántica le permite buscar un elemento dentro de una lista desordenada de longitud N, en un tiempo proporcional a la raíz cuadrada de N. Por el contrario, en una computadora clásica el tiempo sería proporcional a N Esto significa que para obtener el mismo nivel de seguridad, la longitud de la clave debe duplicarse.
Entre los algoritmos de clave simétrica, elAdvanced Encryption Standard (AES), el Blowfish, la Twofish o el Serpiente, con una longitud de clave mayor o igual a 256 bits y en las condiciones adecuadas, pueden demostrar su valía seguro cuántico.
Sin embargo, en el frente de la criptografía asimétrica, la perspectiva es menos tranquilizadora. Los criptosistemas de clave pública se utilizan principalmente para realizar dos tareas fundamentales, el intercambio seguro de claves, para su posterior uso con cifrados simétricos, y la firma digital.
Los cifrados de clave pública más conocidos y actualmente en uso incluyen:
- RSA, basado en el problema de factorización de números enteros;
- criptografía de curva elíptica, que basa su seguridad en la dificultad de realizar ciertas operaciones en los puntos de este tipo de curva;
- Diffie-Hellman, se centró en la dificultad de calcular el logaritmo discreto en algunos grupos cíclicos.
Para cada uno de ellos es posible realizar fácilmente un ataque de criptoanálisis, descifrando la información sin usar la clave, mediante elAlgoritmo de Shor (concebido por Peter Shor en 19942) ejecutándose en una computadora cuántica. La razón por la que el algoritmo de Shor es capaz de "romper" sistemas criptográficos de clave pública es la consecuencia de que se basan en problemas de complejidad computacional no polinomial, que pueden ser resueltos por una computadora cuántica en tiempo polinómico. Específicamente, dado un número entero N, el algoritmo de Shor lo factoriza en un tiempo polinomial en registro (N), mientras que en una computadora clásica el tiempo es exponencial en N.
Motivado por estas consideraciones, el estadounidense Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha emprendido la selección de algoritmos criptográficos de clave pública seguro cuántico al final de una convocatoria pública, anunciada durante la conferencia PQCrypto en 2016 y comenzada en diciembre del mismo año.
La invitación recopiló 82 algoritmos candidatos que, a través de procesos de revisión por pares y rondas de selección, los redujeron, para completarse, presumiblemente para 2024, con el lanzamiento de un estándar.
Los nuevos cifrados serán adoptados por los Estados Unidos en analogía con iniciativas anteriores para la introducción de Estándar de cifrado de datos (DES) y AES.
Entre clases de algoritmos post-cuántico Los algoritmos basados en la "criptografía basada en código" que, introducida en 1978 por el estadounidense Robert McEliece, están demostrando ser los más prometedores.3 para la criptografía de clave pública, no tuvieron mucha suerte debido al tamaño excesivo de la clave. Lo mismo, hoy contamos con variantes capaces de ofrecer tamaños de clave considerablemente reducidos y competitivos. Estos algoritmos se basan en la dificultad de buscar dentro de un enorme conjunto desordenado de números. También se ha demostrado teóricamente que pertenecen a la clase de problemas denominados NP (polinomios no deterministas) que podrían resistir la computación cuántica.
Una segunda clase, Criptografía multivariante4, se basa en la dificultad de resolver sistemas de ecuaciones algebraicas cuadráticas en muchas variables (NP-dureza).
Una tercera clase es la que se basa en el concepto algebraico de "celosía" (Criptografía basada en látex), incluidas las variantes basadas en el problema del "aprendizaje con errores", que consiste en la reconstrucción de una función a partir de algunas de sus evaluaciones inexactas5. Esta formulación ha permitido definir algunos algoritmos innovadores para la criptografía asimétrica, acompañados de severas demostraciones de seguridad.
La implementación de nuevos cifrados de clave pública seguro cuántico hoy representa un esfuerzo inevitable. La omnipresencia del uso de los algoritmos de clave pública actuales afecta la vida diaria de todos, desde la navegación segura en Internet hasta los sistemas de seguridad bancaria, desde las firmas digitales hasta las criptomonedas.
Una carrera contra el tiempo para algunos, mientras que para otros aún será necesario un tiempo para que la potencia computacional de una computadora cuántica alcance el nivel necesario para hacer obsoletos los estándares actuales.
Mientras tanto, en el sector privado, gigantes como Google e IBM realizan experimentos destinados a adquirir la llamada "supremacía cuántica", desafiándose mutuamente en el logro de nuevos y cada vez más ambiciosos registros computacionales. Además, con el mismo propósito, en el ámbito internacional, las superpotencias como los Estados Unidos y China, así como la Unión Europea, están haciendo inversiones cada vez mayores para el desarrollo de planes de investigación en el campo de computación cuántica. China, por ejemplo, anunció recientemente su intención de construir un laboratorio nacional de ciencias de la información cuántica en Hefei para 2020, al que se le asignará un presupuesto plurianual de diez mil millones de dólares.6.
Al mismo tiempo, en el contexto europeo, la nueva presidenta de la Comisión Europea, Ursula von der Leyen, se ha pronunciado sobre el tema afirmando que el computación cuántica Es una de las prioridades de la Unión y expresar la voluntad de apoyar las iniciativas de desarrollo en este ámbito, además de poner los recursos informáticos europeos a disposición de la academia y la investigación, a través del cloud. Con este fin, la Unión ha puesto a disposición mil millones de dólares para ser utilizados en los próximos diez años.7, para el desarrollo de ciertos proyectos ya identificados.
En este contexto, la razón detrás de la espasmódica "raza" de actores estatales y privados, dirigida a lograr la supremacía antes mencionada en el campo de computación cuántica, se encuentra en las palabras que Mike McCaul8, Político norteamericano y miembro del American Enterprise Institute, pronunciado en 2018 sobre la competencia en el campo de computación cuántica de los Estados Unidos con oponentes globales como China, Rusia, Corea del Norte e Irán: "Creo que cualquier superpotencia que alcance este hito antes que las demás tendría la primera bomba nuclear digital".
1 Grover, "Un algoritmo mecánico cuántico rápido para la búsqueda en bases de datos", Actas, 28º Simposio anual de ACM sobre la teoría de la informática, p. 212, 1996.
2 Shor, "Algoritmos para la computación cuántica: registro discreto y factorización", en Actas del 35º Simposio anual sobre los fundamentos de la informática, Santa Fe, IEEE Computer Society Press, pp. 124-134, 1994.
3 McEliece, "Sistema de clave pública basado en la teoría de codificación algebraica", DSN Progress Report 44, pp. 114-116, 1978.
4 Matsumoto, Imai, "Una clase de criptosistemas asimétricos basados en polinomios sobre anillos finitos", IEEE International Symposium on InformationTheory, Abstract of Papers, pp. 131-132, 1983.
5 Goldreich, Goldwasser, Halevi, "Criptosistema de clave pública del problema de reducciones de red", en Proc. Of Crypto '97, volumen 1294 de LNCS pp. 112-131, IACR, Springer-Verlag, 1997.
6https://itbrief.com.au/story/apac-jumps-on-quantum-computing-bandwagon
7https://www.ilsole24ore.com/art/la-cina-l-occidente-e-sfida-globale-big-...
8https://fedmanager.com/news/congressman-quantum-computing-equivalent-to-...
Foto: IBM
