Toda la criptografía moderna descansa sobre una suposición incómoda: los números aleatorios que usan los sistemas de cifrado no son realmente aleatorios. Son pseudoaleatorios, generados por algoritmos deterministas que producen secuencias suficientemente impredecibles para los estándares actuales pero que en principio podrían reproducirse o predecirse con el hardware y los métodos del futuro. Un equipo de la ETH Zurich acaba de demostrar que es posible generar números que no tienen ese problema: números cuya aleatoriedad está certificada por la física cuántica y que, según sus autores, permanecerán perfectamente aleatorios por toda la eternidad.
Por qué las computadoras clásicas no pueden generar aleatoriedad real: el problema del determinismo
Un programa de computadora es una secuencia de instrucciones deterministas: dado el mismo estado inicial, produce siempre el mismo resultado. Los generadores de números aleatorios de software usan semillas, datos del entorno del sistema como la hora exacta, movimientos del ratón o temperatura del procesador, para producir secuencias que parecen aleatorias pero que podrían reproducirse si se conociera la semilla. Incluso los generadores basados en efectos físicos cuánticos, que hasta ahora eran la mejor alternativa, pueden contener sesgos sistemáticos, pequeñas asimetrías que hacen que algunos valores sean ligeramente más probables que otros.
Andreas Wallraff, investigador de la ETH Zurich que coordinó el estudio publicado en Nature, lo explicó así: «Incluso los modernos generadores de números aleatorios basados en efectos cuánticos no son completamente inmunes a errores sistemáticos o sesgos». La pregunta que su equipo se planteó es si existe algún mecanismo que permita tomar una fuente de aleatoriedad imperfecta y extraer de ella aleatoriedad certificada como perfecta.
La solución: la prueba de Bell como certificado de aleatoriedad y dos qubits a temperatura cercana al cero absoluto
La clave del experimento es la prueba de Bell, un test diseñado en los años 60 para distinguir entre la mecánica cuántica y las teorías clásicas con variables ocultas. En términos simples: si dos partículas cuánticas entrelazadas producen correlaciones en sus mediciones que superan cierto umbral estadístico, esas correlaciones no pueden explicarse por ninguna regla oculta clásica ni por ningún comportamiento preprogramado. Son genuinamente aleatorias, en el sentido más fundamental de la física.
El equipo construyó un sistema con dos qubits superconductores conectados por un tubo de 30 metros de longitud, enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto. Los fotones viajan entre los qubits creando entrelazamiento cuántico: una medición en un qubit influye automáticamente en el resultado del segundo, aunque estén separados. La separación de 30 metros garantiza que durante la medición no haya intercambio de información entre los dos qubits, preservando la aleatoriedad. En 9 horas, el sistema realizó más de mil millones de pruebas de Bell, produciendo correlaciones tan fuertes que no pueden tener ninguna explicación clásica.
Amplificación de la aleatoriedad: partir de fuentes imperfectas y llegar a aleatoriedad perfecta
El concepto central del método se llama amplificación de la aleatoriedad. El sistema no requiere una fuente de aleatoriedad perfecta como punto de partida: puede tomar entradas con sesgos, pequeñas asimetrías en la distribución de probabilidades, y producir salidas que están certificadas como perfectamente aleatorias. El coautor Renato Renner lo formuló de esta forma: «Las mejoras técnicas nos han permitido, por primera vez, crear números aleatorios que permanecerán perfectamente aleatorios por toda la eternidad, independientemente de los métodos analíticos utilizados para evaluar su aleatoriedad».
Para la criptografía, la implicación es significativa. Una clave de cifrado generada con este sistema no podría romperse ni por computadoras cuánticas futuras ni por métodos analíticos que todavía no existen. La aleatoriedad no es un estado temporal que tecnologías futuras podrían superar sino una propiedad garantizada por las leyes de la física cuántica. El desafío pendiente es escalar el sistema: actualmente produce aleatoriedad certificada a una velocidad relativamente baja, y llevarlo a velocidades útiles para aplicaciones criptográficas masivas requiere ingeniería adicional.
