Desde las preguntas fundamentales sobre cómo funciona el universo para asegurar la comunicación, es la mecánica cuántica la que contiene las soluciones de nuestro futuro. El profesor Artur Ekert, pionero en el campo y padre de la criptografía cuántica, ha sido profesor (adjunto) y jefe de la Unidad de Seguridad de la Información Cuántica de la OIST desde abril de 2021. El profesor Ekert, que ahora puede permanecer con más frecuencia en la OIST después de la pandemia, fue entrevistado.

Con experiencia en matemáticas aplicadas, no había planeado trabajar en física hasta que se topó con "Las Conferencias Feynman sobre Física" en una biblioteca:"¡Las leí y quedé completamente enganchado!" dice el profesor Ekert. Con esta nueva pasión, comenzó a trabajar para obtener su doctorado. en la Universidad de Oxford, donde también conoció a su mentor David Deutsch, el pionero de la computación cuántica. Al mismo tiempo, encontró otro artículo influyente sobre el entrelazamiento cuántico, escrito por el famoso físico Alain Aspect.

"Me impresionó profundamente:el artículo demostraba que la mecánica cuántica es inherentemente impredecible. Este fue mi punto de partida cuando entendí que se puede utilizar para comunicaciones seguras", dice el profesor Ekert. Pero antes de estos innovadores experimentos de Aspect y sus colegas, hubo un intenso debate sobre si los experimentos en mecánica cuántica son inherentemente impredecibles o no.

Si bien era posible obtener predicciones estadísticas sobre los resultados de estos experimentos, las afirmaciones determinadas siempre permanecían fuera de alcance. "Ahora la pregunta era:¿nos enfrentamos a la verdadera aleatoriedad en la mecánica cuántica o simplemente a nuestra incapacidad para predecir los resultados lo suficientemente bien?" explica el profesor Ekert. Resultó que la respuesta a esta pregunta también contenía la clave para el desarrollo de la criptografía cuántica.

¿Existe una verdadera aleatoriedad en el universo?

Los eventos aleatorios se pueden clasificar en dos tipos diferentes, a los que los científicos denominan aleatoriedad objetiva y subjetiva. "Por ejemplo, algo puede parecer aleatorio para usted pero no para mí porque tengo más información que me permite comprender y predecir el evento. Si no tiene acceso a esta información adicional, el evento le parecerá aleatorio; esto es lo que llamamos aleatoriedad subjetiva", explica el profesor Ekert.

Sorprendentemente, el ejemplo clásico del lanzamiento de una moneda pertenece a la categoría de aleatoriedad subjetiva. Con suficiente conocimiento sobre las condiciones iniciales, el movimiento y la estructura de las monedas, la circulación del aire en la habitación y más, el resultado de cualquier lanzamiento de moneda sería perfectamente predecible. "La aleatoriedad objetiva, por otro lado, es un evento cuyo resultado no se puede predecir incluso si se supiera absolutamente todo al respecto", afirma el profesor Ekert.

Si la física cuántica tiene elementos de esta aleatoriedad objetiva fue debatido entre los científicos del siglo XX y obtuvo una oposición muy destacada de Albert Einstein.

"Pensó que no podemos predecir los resultados de los experimentos en mecánica cuántica porque nos falta información, no porque sean inherentemente impredecibles", dice el profesor Ekert. Si eso fuera correcto y se pudieran identificar los datos faltantes, el resultado de los experimentos en mecánica cuántica debería haberse vuelto predecible. "A esta información faltante la llamó variables ocultas", explica el profesor Ekert.

Este debate teórico se prolongó durante aproximadamente 30 años, hasta que al científico John Bell se le ocurrió una hipótesis comprobable, ahora también conocida como desigualdad de Bell. Esta prueba, entre otros usos, permitió responder a la pregunta de si los eventos cuánticos son realmente aleatorios o no.

Así es como funciona en pocas palabras; Durante un experimento adecuado que utiliza fotones entrelazados, se mide un parámetro específico. Si este parámetro está fuera del rango esperado, apoya que los eventos a nivel cuántico tienen un componente objetivamente aleatorio, pero si cae dentro del rango esperado, entonces las objeciones de Einstein son correctas y hay variables ocultas.

"El problema fue que cuando Bell publicó su trabajo, todavía no era posible realizar estos experimentos tan complicados", dice el profesor Ekert. Con los medios matemáticos pero no los técnicos para realizar la prueba, el debate permaneció sin respuesta durante otra década. Hasta la década de 1970, cuando estos experimentos finalmente fueron posibles, John Clauser estuvo entre los primeros en realizarlos.

"Cuando realiza estos primeros experimentos, observa una violación de la desigualdad de Bell que respalda el hecho de que la naturaleza en su fundamento es aleatoria", dice el profesor Ekert.

Pero con la tecnología todavía limitada de la época, este apasionante hallazgo fue al principio preliminar. De hecho, la certeza al respecto no se alcanzó hasta finales de los años 90. Entre otros, fue el trabajo innovador de Alain Aspect, Nicolas Gisin, Ronald Hanson, Jianwei Pan y Anton Zeilinger, sobre la naturaleza del entrelazamiento cuántico y las desigualdades de Bell, el que confirmó para siempre el funcionamiento fundamental de la mecánica cuántica, demostrando que hay verdadera aleatoriedad en eventos cuánticos.

En 2022, Aspect, Clauser y Zeilinger compartieron el premio Nobel por sus esfuerzos experimentales pioneros.

De la mecánica cuántica a la criptografía cuántica

Al enterarse de todo esto mientras trabajaba en su doctorado, el profesor Ekert se dio cuenta de que la aleatoriedad se puede utilizar para crear una forma de desarrollar un cifrado irrompible. Antes de que las comunicaciones seguras se volvieran cuánticas, la criptografía ya había hecho posible transmitir información de forma segura, excepto por un problema crucial.

"Imaginemos que desea transmitir información de forma segura a otra persona. En ese caso, ambos necesitan algo llamado clave criptográfica, que es una secuencia completamente aleatoria de unos y ceros. ¡Esta clave debe mantenerse estrictamente en secreto!" dice el profesor Ekert. Si bien la clave es aleatoria y, por lo tanto, no tiene sentido, permitirá posteriormente a su poseedor decodificar el mensaje enviado.

Pero este método tradicional de cifrado tiene un importante obstáculo de seguridad:mantener la clave en secreto. Si el acceso fuera no autorizado, todos los mensajes enviados podrían descodificarse y ¿cómo podría haber completa seguridad de que nadie haya obtenido acceso a las claves secretas?

Clásicamente, este problema se solucionaba mediante el uso de líneas protegidas para la comunicación y mediante el trabajo de especialistas en ciberseguridad que implementaban varias funciones de seguridad para proteger las claves de cifrado.

"Pero verás, incluso con la mejor seguridad implementada, nunca podrías estar 100% seguro de que nadie haya tenido acceso", señala el profesor Ekert.

Todo esto cambió cuando los experimentos sobre la desigualdad de Bell demostraron que la mecánica cuántica tiene un componente inherentemente aleatorio. "Una solución es utilizar claves cuánticas, que se generan mediante fotones entrelazados", explica el profesor Ekert.

Este método de generación de una clave criptográfica permite comprobar si alguien ha tenido acceso no autorizado utilizando el teorema de Bell. "Si su clave viola las desigualdades de Bell, puede estar seguro de que nadie tuvo acceso a su clave", dice el profesor Ekert. Con esto, descubrió una forma completamente novedosa de proteger la comunicación:la criptografía cuántica.

Este método de cifrado es ahora más importante que nunca, ya que el progreso en el desarrollo de las computadoras cuánticas hará que el cifrado clásico sea menos seguro, un problema para los datos confidenciales, por ejemplo en el sector médico o financiero. En este caso, la criptografía cuántica ofrece una manera de garantizar la protección, pero probablemente no se convertirá en el estándar para todas las comunicaciones.

"La criptografía cuántica no sustituirá completamente a los métodos clásicos, porque no siempre es necesaria una seguridad perfecta. No todos los coches tienen que cumplir con los estándares de la Fórmula Uno; lo mismo ocurre con el cifrado", afirma el profesor Ekert.

Sin embargo, desarrollar estrategias modernas de ciberseguridad que se mantengan al día con el complejo mundo tecnológico actual es un desafío clave tanto para la ciencia como para la sociedad, y una de las razones que llevaron al Prof. Ekert a la OIST.

"Estoy aquí para ayudar a crear una vibrante comunidad de seguridad cuántica y cibernética en Okinawa y también quiero ayudar a educar a la gente sobre la ciberseguridad y mejorar la protección de datos", dice el profesor Ekert.

Un segundo foco será su investigación sobre el concepto de aleatoriedad, para el cual OIST ofrece condiciones ideales. "Aprecio el ambiente agradable y tranquilo de Okinawa", señala el profesor Ekert. Si bien ahora es un hecho que la aleatoriedad objetiva juega un papel en la mecánica cuántica, la investigación del profesor Ekert aquí en la OIST aborda una pregunta quizás comparativamente fundamental sobre la naturaleza de nuestro universo:"Estoy interesado en por qué las cosas son aleatorias", dice.