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Polski🎲 BB84 Criptografía Cuántica
Simulación del protocolo BB84: Alicia envía qubits, Bob mide, comparan bases. La espía Eva aumenta el QBER y queda al descubierto.
Sobre BB84 Criptografía Cuántica
BB84 es el primer protocolo de criptografía cuántica del mundo, publicado por Charles Bennett y Gilles Brassard en 1984. Utiliza las propiedades mecánico-cuánticas de los fotones —en concreto, que medir un estado cuántico en la base equivocada lo perturba de forma irreversible— para distribuir una clave criptográfica secreta entre dos partes (Alicia y Bob) de manera que cualquier espionaje por parte de un tercero (Eva) sea detectable. Se trata de una garantía de seguridad física genuina, no computacional: se mantiene incluso frente a un atacante con potencia de cálculo ilimitada.
En esta simulación, Alicia envía qubits codificados en bases rectilínea (+) o diagonal (×) elegidas al azar; Bob mide en sus propias bases aleatorias. Tras la transmisión, comparan públicamente las bases (no los valores), conservan solo los bits con bases coincidentes y comprueban una muestra en busca de errores introducidos por el espionaje. Puedes ajustar el número de qubits, añadir una espía y observar la clave depurada resultante y la tasa de error.
Preguntas frecuentes
¿Qué hace que BB84 sea seguro frente al espionaje?
La seguridad procede del teorema de no clonación de la mecánica cuántica: un espía no puede copiar un estado cuántico desconocido sin perturbarlo. Si Eva intercepta un qubit y lo mide en la base equivocada, colapsa la superposición, provocando que Alicia y Bob observen una tasa de error de ~25% en sus bits de control — muy por encima del ruido de fondo — revelando la intrusión.
¿Cuáles son las dos bases utilizadas en BB84?
BB84 usa dos bases conjugadas: la base rectilínea (o Z) con los estados |0⟩ y |1⟩ (polarización horizontal/vertical), y la base diagonal (o X) con los estados |+⟩ y |−⟩ (polarización a ±45°). Estas bases son «mutuamente no sesgadas»: medir un estado de la base X en la base Z da un resultado completamente aleatorio, y viceversa.
¿Qué es la tasa de clave depurada?
Después de que Alicia y Bob comparan sus bases por un canal público, conservan solo los bits en los que sus bases elegidas al azar coinciden, descartando el resto. En promedio, las bases coinciden el 50% de las veces, por lo que la tasa de clave depurada es la mitad de la tasa de transmisión bruta de qubits. La destilación adicional de la clave reduce aún más esta tasa, pero elimina cualquier información que Eva pueda haber obtenido.
¿Cómo se implementa BB84 en el mundo real?
Los sistemas comerciales de QKD transmiten fotones individuales (o pulsos coherentes débiles) a través de fibra óptica o enlaces de espacio libre. Empresas como Toshiba e ID Quantique venden hardware de QKD que funciona a cientos de kilómetros de fibra. El protocolo BB84 sustenta los estándares de criptografía cuántica ETSI e ISO/IEC 23837.
¿Para qué se usa la distribución cuántica de claves?
La QKD se usa para distribuir claves de cifrado simétrico que luego se emplean con algoritmos clásicos como AES-256. Las implementaciones reales incluyen comunicaciones interbancarias en la red cuántica de China (más de 2.000 km de fibra), comunicaciones gubernamentales y centros de datos de alta seguridad. Las claves son seguras en el sentido de la teoría de la información, lo que las hace resistentes a los futuros ordenadores cuánticos.
¿Qué es el teorema de no clonación?
El teorema de no clonación, demostrado por Wootters y Zurek en 1982, establece que es imposible crear una copia idéntica de un estado cuántico arbitrario desconocido. Esto se deriva de la linealidad de la mecánica cuántica: una hipotética operación de clonación tendría que copiar ambos estados base simultáneamente, lo cual es imposible sin conocer el estado de antemano.
¿Cuál es la diferencia entre QKD y computación cuántica?
La distribución cuántica de claves usa la mecánica cuántica para distribuir claves secretas; es un protocolo de comunicación que puede ejecutarse en el hardware fotónico actual. La computación cuántica usa la superposición y el entrelazamiento cuánticos para realizar cálculos exponencialmente más rápido que los ordenadores clásicos en ciertos problemas. La QKD ya está desplegada comercialmente, mientras que la computación cuántica a gran escala sigue siendo un objetivo de investigación.
¿Cómo revela la tasa de error el espionaje?
Si Eva intercepta un qubit y lo mide, acierta la base correcta el 50% de las veces. Cuando se equivoca, perturba el qubit, y la medición posterior de Bob en la base de Alicia producirá un bit erróneo el 50% de las veces. Promediado sobre todos los eventos de interceptación, esto introduce una tasa de error de bit cuántico (QBER) del 25% en la clave depurada, fácilmente distinguible de los niveles de ruido típicos, inferiores al 5%.
¿Puede un ordenador cuántico romper BB84?
No. La seguridad de BB84 se basa en las leyes de la física cuántica, no en la dificultad de un problema matemático. El algoritmo de Shor (que se ejecuta en un ordenador cuántico) puede romper RSA y la criptografía de curva elíptica, pero no puede ayudar a un espía a obtener la clave de BB84 sin causar una perturbación detectable. Por eso se considera que la QKD es «segura frente a la computación poscuántica».
¿Qué es la amplificación de privacidad?
Tras la corrección de errores, Alicia y Bob aplican la amplificación de privacidad: comprimen la clave depurada usando una función hash elegida al azar para reducir el conocimiento potencial de Eva sobre la clave a niveles insignificantes. Si Eva tiene información sobre como máximo k bits de la clave corregida de n bits, aplicar hash a n−k−s bits le deja menos de 2^(−s) bits de información mutua sobre la clave final.