Entre la física cuántica y el ‘blockchain’: un generador cuántico de números aleatorios a prueba de trampas

Hay procesos en los que garantizar el azar es fundamental para asegurar la legitimidad de los resultados, como la lotería, la selección de de mesas electorales o los beneficiarios de una promoción de viviendas sociales. Esta aleatoriedad es también crucial para blindar la seguridad de la red, en especial desde que Peter Shor, matemático del Instituto de Tecnología de Massachusetts, demostró hace 30 años que un ordenador cuántico podrá resolver un problema de factorización (descomposición de una expresión algebraica en forma de producto) de manera eficiente. De esta factorización depende la criptografía que sostiene desde la transacción bancaria más habitual hasta las conversaciones en plataformas de mensajería. Una investigación que publica Nature este miércoles aporta una solución a caballo entre la física cuántica y el blockchain, el sistema de las criptomonedas y otros procesos: un generador de números aleatorios a prueba de trampas.

Decenas de páginas web y aplicaciones ofrecen programas para la generación de números aleatorios. Sirven para resolver juegos de azar domésticos o arrojar propuestas de claves. “Sin embargo”, según explican los investigadores, encabezados por el físico Gautam Kavuri, de la Universidad de Colorado, “los generadores de números aleatorios actuales que se basan en el hardware [equipamiento] existente requieren un nivel de confianza en que el sistema no ha sido pirateado o manipulado en algún momento durante el proceso y, por lo tanto, no hay una forma clara de certificar si un generador en particular es realmente aleatorio”.

Kavuri y el resto de científicos, entre los que se encuentra el español Carlos Abellán, proponen un sistema que parte de la naturaleza de la mecánica cuántica para “ofrecer números aleatorios caracterizados tanto por la uniformidad como por la imprevisibilidad”.

El sistema, denominado Colorado University Randomness Beacon (CURBy), consiste en la medición de dos fotones a 110 metros de distancia al mismo tiempo. Cada paso del proceso de medición se registra en una secuencia de datos llamada “cadena hash”, un modelo inspirado en el blockchain que hace que cualquier intento de manipular el proceso sea detectable y que, cualquier intento de alteración de este pase también por la prácticamente imposible manipulación de todos los eslabones de la cadena.

Durante las pruebas del sistema se generaron 7.434 números aleatorios certificados de 7.454 intentos durante 40 días, lo que arroja una tasa de éxito del 99,7%. El exiguo porcentaje de error se atribuye, en su mayoría, a “fallos de programación durante la toma de datos”.

Los generadores de números aleatorios existentes son “auditables” (examen del proceso), pero no pueden garantizar que sus resultados sean impredecibles dado que se conoce o se puede manipular el origen. “Un atacante que descubra las entradas iniciales puede predecir perfectamente sus salidas”, advierten.

Sin embargo, en el CURBy “se pueden rastrear, auditar y certificar completamente como impredecibles los resultados, que se extraen de la aleatoriedad de correlaciones cuánticas no locales impredecibles y utiliza cadenas hash entrelazadas para rastrear y verificar criptográficamente el proceso de extracción”, según explican los investigadores.

“Ser capaz de verificar y auditar los números aleatorios para detectar posibles manipulaciones y demostrar la imprevisibilidad es vital para establecer la confianza del público en estas aplicaciones”, detalla el equipo del CURBy, que señala entre posibles casos de uso los sorteos de recursos públicos, loterías, selecciones aleatorias, elección de parámetros en esquemas criptográficos públicos y procesos electorales electrónicos.

La naturaleza cuántica del sistema garantiza la impredecibilidad de los resultados. La trazabilidad de todo el proceso se basa en un modelo parecido al blockchain, un sistema propuesto en computación clásica como uno de los más seguros. “En lugar de que una sola parte controle todo el proceso de generación de aleatoriedad, distribuimos el protocolo entre varias partes independientes que deben trabajar juntas para producirla. Cada acción que tome cada parte debe registrarse de forma que no sea manipulable y que pueda ser verificada o auditada de forma independiente”, explican los investigadores sobre el protocolo que han bautizado como “Twine” y fundamentado en la técnica criptográfica de cadena hash.

“Cada bloque de datos incluye un hash, o una huella digital, del bloque anterior. Esto significa, en primer lugar, que cualquier bloque posterior en la cadena debe haber sido creado antes que los anteriores. En segundo lugar, cualquier cambio a posteriori en un bloque de datos dado daría lugar a una inconsistencia a menos que también se modifique cada bloque posterior”, argumentan los autores.

“En otras palabras”, explican los investigadores, “para que un actor malicioso pase desapercibido, necesita reescribir subrepticiamente el historial no solo de su propia cadena de hash, sino también de la cadena de hash de todos los demás que están conectados. A medida que crece el número de partes independientes en la red, tal acción se vuelve cada vez más difícil”.

Coincide en un artículo asociado a la publicación de Nature el profesor de información cuántica Peter Brown, ajeno al estudio y quien insiste en este aspecto: “Para que un tercero controle la salida final del generador de números aleatorios [CURBy] sin ser detectado, los registros de las mediciones de entrelazamiento y todas las cadenas hash tendrían que verse comprometidas en varias ubicaciones geográficas”.

La incorporación de la computación cuántica a la seguridad de la sociedad digital es fundamental. Sus capacidades son extraordinaries para crear, pero también para vulnerar, como advirtió Shor en 1994. En este sentido, Jay Gambetta, responsable de los desarrollos cuánticos de IBM y ajeno al estudio publicado este martes, ha alertado en la presentación de Starling sobre la necesidad de que la carrera de desarrollo y seguridad sea paralela: “La encriptación actual se romperá con la computación cuántica, por lo que necesitamos hacer la transición como industria a algoritmos cuánticos seguros. Hay algoritmos que ya son cuánticos e IBM ha tenido una larga historia en el desarrollo de algunos que no creemos que una computadora cuántica vaya a vulnerar. Gran parte del cifrado es sobre esto”.