En el silencioso y de alto riesgo mundo de la criptografía cuántica, los científicos están tratando de construir cerraduras que no puedan ser forzadas, ni siquiera por una computadora que utilice las extrañas reglas de la mecánica cuántica. Durante décadas, la base de toda la comunicación segura ha sido la "función de un solo sentido", un cerrojo matemático que es fácil de cerrar pero increíblemente difícil de abrir sin una clave específica. Sin embargo, ha surgido una nueva frontera llamada Microcrypt, un reino teórico donde los investigadores esperan construir sistemas cuánticos seguros incluso si esas cerraduras tradicionales de un solo sentido no existen. El objetivo es encontrar nuevas suposiciones más débiles que sigan siendo lo suficientemente fuertes como para proteger los secretos. Para ello, han propuesto nuevos tipos de objetos digitales, como "estados pseudialeatorios" y "unitarias pseudialeatorias", que están diseñados para parecer ruido aleatorio para cualquiera que no tenga la clave secreta, pero que en realidad son generados por un proceso específico y oculto. La gran pregunta ha sido si estos nuevos objetos pueden realmente existir sin depender de las viejas y más fuertes cerraduras, o si dependen de ellas secretamente.

Un equipo de investigadores de la Universidad de California, Santa Bárbara, la Universidad de Illinois y NTT Research ha respondido ahora a esta pregunta con un "no" decisivo para muchos de los candidatos principales. Han desarrollado un nuevo método para analizar estos objetos cuánticos y han demostrado que varios diseños populares, que se creían seguros incluso sin las funciones de un solo sentido tradicionales, en realidad fallan cuando se enfrentan a un tipo específico de adversario poderoso. Su trabajo muestra que si se intenta construir estas cerraduras cuánticas utilizando ciertos planos arquitectónicos comunes, se crea inadvertidamente una función de un solo sentido tradicional de todos modos. Esto significa que la promesa de construir la criptografía cuántica sobre cimientos más débiles es más difícil de lo que se esperaba anteriormente, y que muchos de los diseños favoritos actuales no son la solución.

El avance de los investigadores proviene de una técnica que llaman "tomografía de sombra", que es una forma de tomar un estado cuántico y crear un registro clásico compacto de este. Imagine intentar comprender la forma de un objeto complejo e invisible proyectando luz sobre él desde diferentes ángulos y registrando las sombras que proyecta. En el mundo cuántico, este proceso implica medir copias de un estado cuántico para reunir información sobre su estructura. El equipo se dio cuenta de que, para una gran clase de estos estados cuánticos propuestos, la información recogida de estas sombras es tan estructurada que una computadora con acceso a un tipo específico de ayudante lógico —un "oráculo NP"— puede utilizarla para la ingeniería inversa de la clave secreta. Un oráculo NP es una herramienta teórica que puede resolver instantáneamente ciertos tipos de problemas de búsqueda complejos, actuando como un asistente superinteligente que puede comprobar si existe una solución sin tener que probar todas las posibilidades una por una.

Los investigadores demostraron que, para muchos estados cuánticos propuestos, el proceso de encontrar la clave secreta se convierte en una tarea de búsqueda simple para este ayudante. Mostraron que si el estado cuántico es "computable", es decir, que sus números internos pueden ser calculados por una computadora estándar, entonces un adversario con este ayudante lógico puede averiguar la clave de manera eficiente. Esto rompe efectivamente la seguridad del sistema. El equipo aplicó este método a un candidato prominente conocido como Estados de Fase Hamiltoniana, que se creía ampliamente que era un bloque de construcción seguro para la criptografía sin funciones de un solo sentido. Su análisis demostró que estos estados no son seguros; si existen, implican la existencia de una función de un solo sentido tradicional. Este resultado destruye la esperanza de que este diseño específico pudiera evitar la necesidad de suposiciones más fuertes.

La investigación no se detuvo en los estados. Los investigadores también dirigieron su atención a las "unitarias pseudialeatorias", que son operaciones cuánticas más complejas que transforman los datos de una manera que parece aleatoria. Estas se consideran las herramientas más poderosas en el arsenal de Microcrypt. El equipo identificó un patrón arquitectónico común utilizado en muchos de los diseños más prometedores para estas unitarias: una estructura donde una capa simple y predecible es colocada entre dos capas de operaciones "Clifford", que son un tipo específico de puerta cuántica. Descubrieron que este arreglo específico, conocido como construcción CMC, deja una huella digital distintiva. Mediante el uso de un tipo especial de medición que involucra pares de partículas entrelazadas, podían extraer pistas clásicas sobre la permutación oculta dentro de la capa intermedia. Con la ayuda del asistente lógico, podían entonces buscar una clave que explicara todas las pistas observadas. Si la unitaria fuera verdaderamente aleatoria, ninguna clave única explicaría todas las pistas. Pero si estuviera construida usando esta arquitectura específica, la clave correcta siempre encajaría perfectamente con las pistas.

Este descubrimiento significa que una amplia gama de propuestas recientes para unitarias cuánticas seguras, incluyendo aquellas que fueron diseñamente creadas para evitar las funciones de un solo sentido, son en realidad vulnerables. Los investigadores demostraron que estos diseños pueden ser distinguidos de la aleatoriedad verdadera y que sus claves secretas pueden ser recuperadas. Probaron su método contra varias construcciones bien conocidas, tales como las basadas en estructuras "PFC" (Permutación-Función-Clifford) y varios diseños "LRFC" (Luby-Rackoff-Función-Clifford). En cada caso donde la capa intermedia era una permutación simple o un desplazamiento de fase, el ataque tuvo éxito. El equipo demostró que estas arquitecturas no pueden ser la base para Microcrypt porque inevitablemente conducen de vuelta a la existencia de funciones de un solo sentido, derrotando el propósito de intentar construir la criptografía sobre suposiciones más débiles.

Sin embargo, el artículo no cierra la puerta a Microcrypt por completo. Los investigadores mapearon cuidadosamente qué diseños sobrevivieron a su ataque y cuáles no. Encontraron que las construcciones que involucran múltiples capas superpuestas de mezcla o aquellas que utilizan operaciones secretas no-Clifford en los extremos podrían seguir siendo seguras. Estos candidatos supervivientes son ahora el foco de investigaciones futuras. El trabajo sirve como una guía crucial, o un conjunto de guardarraíles, para el campo. Les dice a los científicos qué no construir, evitando que pierdan el tiempo en planos que son fundamentalmente defectuosos. Al descartar estos enfoques comunes, los investigadores han obligado a la comunidad a buscar arquitecturas fundamentalmente diferentes que no creen inadvertidamente funciones de un solo sentido.

Las implicaciones de este trabajo son profundas para el futuro de la seguridad cuántica. Clarifican que el camino para construir la criptografía cuántica sin funciones de un solo sentido es más estrecho y más peligroso de lo que se pensaba anteriormente. Los investigadores han proporcionado un método riguroso para probar nuevas propuestas, asegurando que los diseños futuros no sean solo teóricamente interesantes, sino que sean realmente seguros contra los ataques más poderosos conocidos. Sus hallazgos sugieren que, si Microcrypt ha de realizarse, requerirá formas completamente nuevas de pensar sobre las operaciones cuánticas, alejándose de los patrones familiares que han dominado el campo hasta ahora. El trabajo es un testimonio del poder del análisis sistemático en la ciencia, donde demostrar lo que no funciona es tan importante como descubrir lo que sí funciona.