Una verdadera prueba para la aleatoriedad

Cuantificar cuán impredecibles son en realidad los números aleatorios podría ayudar a la criptografía cuántica. Cuando se trata de cadenas de números impredecibles, algunas son más aleatorias que otras. Hasta ahora no ha habido manera de confirmar la "verdadera" aleatoriedad, manteniéndose vulnerables las técnicas de cifrado que se basan en cadenas aleatorias. Pero los físicos han generado la primera cadena de números aleatorios verificable, una hazaña que podría contribuir a reforzar la seguridad.

Las cadenas de números "pseudo-aleatorios" se utilizan como claves para codificar mensajes para su transmisión a través de Internet. El problema es que, aunque estas cadenas aparecen al azar a los efectos prácticos, si el algoritmo de la computadora que los genera puede ser violado, ellas están abiertas a los ataques, dice Antonio Acín, un físico del Instituto de Ciencias Fotónicas, en Barcelona, España.

Por estas razones, muchos grupos están tratando de producir cadenas verdaderamente al azar basadas en el indeterminismo inherente a los sistemas cuánticos. Según la mecánica cuántica, es imposible predecir con certeza cómo se comportará una partícula, de modo que, en teoría, la elección de dígitos binarios basados en el camino elegido por, digamos, los fotones que se encuentran en un cruce de caminos de doble dirección deberían asegurar la aleatoriedad. En la práctica, sin embargo, no hay manera de confirmar que incluso estas cifras son verdaderamente aleatorias, dice Acín. Por ejemplo, puede haber fallas en el aparato que sutilmente afectó la manera en que los fotones se movieron.

"Lo que el equipo ha hecho es increíble"

Para eludir este problema, Acín y sus colegas han desarrollado una prueba de verddera aleatoriedad, que se remonta a los experimentos históricos sobre la naturaleza de la mecánica cuántica propuestos por primera vez por el físico John Bell en la década de 1960. Bell quería confirmar que la física clásica no puede explicar las extrañas propiedades exhibidas por "partículas entrelazadas", que están vinculados de tal manera que una medición de inmediato afecta el estado de su socia. Bell calculó el máximo nivel posible de correlación entre dos partículas en cualquier sistema clásico. Experimentos posteriores han confirmado en repetidas ocasiones que las partículas enredadas sobrepasan este límite máximo, desafiando a la física clásica.

Lento pero seguro

Acín y sus colegas han demostrado que existe una relación directa entre el grado de aleatoriedad real en un sistema y el grado en que el límite de Bell es roto por partículas entrelazadas. Prepararon un verdadero generador de números aleatorios que escupe dígitos binarios sobre la base de mediciones cuánticas repetidas de un ion de iterbio, que bien podría estar en un nivel de energía alto o bajo. Para comprobar la aleatoriedad real, dos iones fueron enredados, y los niveles de energía de ambos se midieron para confirmar que se correlacionaron más allá de la envolvente de Bell. "La violación de la envolvente de Bell confirma que la técnica explota con éxito un genuino proceso cuántico al azar", dice Acín. "A continuación, usted puede leer el número 1 de una cadena de dígitos basados en los niveles de energía del ión, y saber que le dará números verdaderamente aleatorios." En Nature de esta semana el equipo informa de la generación de 42 números verdaderamente aleatorios.

Artur Ekert, un físico cuántico en la Universidad de Oxford, en el Reino Unido, propuso originalmente en 1991 que el teorema de Bell se podría utilizar para crear números verdaderamente aleatorios para su uso en criptografía cuántica. "Lo que el equipo ha hecho es increíble", dice. Sin embargo, añade que en su puesta a punto, los iones están separados sólo por 1 metro y para aplicaciones de comunicación cuántica el equipo debe demostrar que la técnica funciona a distancias más grandes.

Hong Guo, en la Universidad de Pekín en China, está de acuerdo en probar que la aleatoriedad real es esencial. Sin embargo, señala que la técnica de Acín sólo produjo 42 números aleatorios en un mes. Por el contrario, los experimentos recientes de su grupo y otros, aprovechando las propiedades cuánticas de los fotones en láseres, han generado dígitos a tasas de hasta 500 megabits por segundo; aunque en estos experimentos la verdadera aleatoriedad no fue una prioridad. "El siguiente paso para el equipo de Acín es simplificar el experimento para una configuración más práctica", dice Guo.

Este artículo fue traducido de:
A truth test for randomness, Nature News, por Zeeya Merali.