Durante mucho tiempo, la idea de que el azar puede ser una fuerza fundamental en el universo ha sido objeto de debate. La famosa frase de Albert Einstein, «Dios no juega a los dados con el universo», refleja la resistencia a aceptar que el azar puede influir en los eventos a nivel subatómico. Sin embargo, los avances en la física cuántica y la criptografía han demostrado que, al menos en la generación de números aleatorios, el universo sí lanza dados, y lo hace de una manera que es completamente transparente y auditada. Un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado en Boulder ha desarrollado un generador de números aleatorios que utiliza principios de la mecánica cuántica, ofreciendo resultados que son completamente rastreables y auditables.
### La Importancia de la Aleatoriedad en la Seguridad Digital
La generación de números aleatorios es crucial en múltiples aplicaciones, desde la criptografía hasta la selección justa de recursos en loterías y jurados. Sin embargo, los generadores de números aleatorios tradicionales presentan limitaciones significativas. Los generadores pseudoaleatorios, que dependen de algoritmos informáticos, son auditables, pero sus resultados son predecibles si se conoce la semilla inicial. Esto significa que si un atacante conoce la semilla, puede anticipar todos los números que se generarán, lo que pone en riesgo la verdadera aleatoriedad.
Por otro lado, los generadores basados en hardware que utilizan fenómenos físicos clásicos no pueden ser certificados como verdaderamente impredecibles sin confiar ciegamente en los modelos de sus componentes. Esto abre la puerta a manipulaciones o fallos no detectados. Incluso los generadores cuánticos anteriores, aunque garantizan que la fuente de aleatoriedad es desconocida, son vulnerables a manipulaciones en las etapas de extracción de los números.
El nuevo sistema desarrollado por el equipo de NIST y CU Boulder, conocido como Colorado University Randomness Beacon (CURBy), supera estas limitaciones al combinar la imprevisibilidad inherente de la física cuántica con un sistema criptográfico que asegura la integridad de todo el proceso. Este avance representa una de las primeras aplicaciones públicas que opera con una ventaja cuántica demostrable.
### Cómo Funciona el Sistema CURBy
El núcleo del sistema CURBy se basa en un experimento de física cuántica conocido como el Test de Bell, que explora el fenómeno del entrelazamiento cuántico. Este proceso comienza con la generación de un par de fotones entrelazados dentro de un cristal especial. Las propiedades de estos fotones están intrínsecamente conectadas, independientemente de la distancia que los separe. Luego, estos fotones viajan a través de fibra óptica hacia dos laboratorios separados por aproximadamente 110 metros. En cada laboratorio, se mide una propiedad de los fotones, como su polarización. Debido a las leyes de la mecánica cuántica, el resultado de cada medición es genuinamente aleatorio e impredecible.
El sistema CURBy realiza este proceso 250,000 veces por segundo, generando un flujo masivo de datos crudos. Estos millones de «lanzamientos de moneda cuántica» se envían a un ordenador en la Universidad de Colorado, donde se procesan para convertirlos en una cadena de 512 bits aleatorios y uniformes. Durante sus primeros 40 días de operación, el sistema ha demostrado una alta fiabilidad, con una tasa de éxito del 99.7%.
Para garantizar que el proceso no solo es aleatorio en su origen, sino también incorruptible en su ejecución, los investigadores han desarrollado un protocolo llamado «Twine». Este sistema, inspirado en la tecnología blockchain, crea un registro público, inmutable y verificable de cada paso del proceso. El protocolo Twine entrelaza cadenas de hashes de múltiples entidades independientes que participan en el proceso, lo que asegura que cualquier intento de manipulación sea inmediatamente detectado.
Cada participante registra sus acciones en su propia cadena, incluyendo los hashes de las cadenas de los demás, creando así una estructura de datos entrelazada. Esto garantiza la trazabilidad, el orden cronológico y la integridad de los datos, eliminando la necesidad de confiar en una única autoridad central, una característica propia de los sistemas blockchain.
El resultado de esta investigación es CURBy, el primer faro de aleatoriedad cuántica de acceso público respaldado por una ventaja cuántica demostrable. Todo el proceso es de código abierto, lo que permite que cualquier persona verifique los resultados y construya sobre esta base para crear sus propias aplicaciones. Las aplicaciones potenciales son amplias, desde la selección imparcial de candidatos para un jurado hasta auditorías aleatorias y asignaciones de recursos en loterías públicas. Este avance representa un paso significativo para llevar un experimento de física fundamental fuera del laboratorio y convertirlo en un servicio público útil y fiable.
