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El dispositivo, comparado con una moneda de un céntimo de euro. Fuente: ICFO.
Los generadores de números aleatorios son cruciales para el cifrado que protege nuestra privacidad y seguridad cuando realizamos transacciones digitales, como comprar productos en línea o retirar efectivo de un cajero automático.
Por primera vez, ingenieros del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona han desarrollado un rápido generador de números aleatorios basado en un proceso de mecánica cuántica que podría ofrecer las claves de cifrado más seguras del mundo en un paquete lo suficientemente pequeño para utilizarlo en un dispositivo móvil.
El trabajo es un esfuerzo multi-institucional que incluye a investigadores del ICFO, la Universidad Politécnica de Valencia -miembro del ecosistema de innovación Global ImasT-, la Institució Catalana de Recerca i Estudios Avanzados (ICREA), y la empresa VLC Photonics -spin-off de la UPV-, todas de España, así como el Politécnico de Milán (Italia).
En la revista de The Optical Society of America, Optica, los investigadores describen su dispositivo totalmente integrado para la generación de números aleatorios. El nuevo trabajo representa un avance fundamental en el camino hacia la incorporación de generadores de números aleatorios basados en cuántica en los ordenadores, tabletas y teléfonos móviles.
"Hemos conseguido poner tecnología base que se ha utilizado en experimentos científicos de alto perfil en un paquete que podría ser utilizado comercialmente", dice en la nota de prensa de la OSA el primer autor del artículo, Carles Abellán, estudiante de doctorado en el ICFO (adscrito al Instituto de de Ciencia y Tecnología de Barcelona). "Este es probablemente sólo un ejemplo de las tecnologías cuánticas que pronto estarán disponibles para su uso en productos comerciales reales. Es un gran paso adelante en cuanto a integración se refiere".
El nuevo dispositivo funciona a velocidades del orden de gigabits por segundo, suficientemente rápido para el cifrado en tiempo real de los datos de comunicaciones, como llamadas por vídeo o por voz, o para cifrar grandes cantidades de datos que viajan desde y hacia un servidor como los utilizados por las plataformas de redes sociales.
También podría encontrar uso para realizar predicciones del mercado de valores y simulaciones científicas complejas de procesos aleatorios, como las interacciones biológicas o las reacciones nucleares. El ICFO ha publicado un Libro Blanco sobre el dispositivo, presentando sus posibles aplicaciones comerciales.
Números aleatorios
Los generadores de números aleatorios utilizados en la actualidad se basan en algoritmos informáticos o en la aleatoriedad de los procesos físicos -esencialmente versiones complejas de tirar los dados una y otra vez para obtener números aleatorios. A pesar de que los números generados parecen ser aleatorios, saber cierta información, por ejemplo cuántos "dados" se están utilizando, puede permitir a los hackers deducir a veces los números, convirtiendo los datos protegidos en vulnerables a la piratería.
El nuevo dispositivo, sin embargo, genera números aleatorios basados en las propiedades cuánticas de la luz, un proceso que es inherentemente aleatorio y por lo tanto imposible de predecir, por mucha cantidad de información que se conozca. Aunque otros investigadores han desarrollado generadores de números aleatorios cuánticos, todos ellos eran o más grandes o más lentos que el nuevo dispositivo.
"Hemos demostrado previamente que los procesos cuánticos que tienen lugar muestran aleatoriedad real", dice Valerio Pruneri, también del ICFO, que dirigió la colaboración. "En este nuevo trabajo, hemos hecho un gran avance tecnológico usando un nuevo diseño que incluye dos láseres que interfieren entre sí en un espacio confinado. Esto hace que el dispositivo sea más pequeño, manteniendo las mismas propiedades que se utilizaron en los últimos experimentos".
Los investigadores fueron capaces de producir un tren de pulsos con amplitudes casi iguales y fases aleatorias. Luego, con la ayuda de un interferómetro, fueron capaces de interferir los pulsos, generando pulsos de amplitud aleatoria, que se detectaron y se digitalizaron para producir la secuencia aleatoria de números.
Por primera vez, ingenieros del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona han desarrollado un rápido generador de números aleatorios basado en un proceso de mecánica cuántica que podría ofrecer las claves de cifrado más seguras del mundo en un paquete lo suficientemente pequeño para utilizarlo en un dispositivo móvil.
El trabajo es un esfuerzo multi-institucional que incluye a investigadores del ICFO, la Universidad Politécnica de Valencia -miembro del ecosistema de innovación Global ImasT-, la Institució Catalana de Recerca i Estudios Avanzados (ICREA), y la empresa VLC Photonics -spin-off de la UPV-, todas de España, así como el Politécnico de Milán (Italia).
En la revista de The Optical Society of America, Optica, los investigadores describen su dispositivo totalmente integrado para la generación de números aleatorios. El nuevo trabajo representa un avance fundamental en el camino hacia la incorporación de generadores de números aleatorios basados en cuántica en los ordenadores, tabletas y teléfonos móviles.
"Hemos conseguido poner tecnología base que se ha utilizado en experimentos científicos de alto perfil en un paquete que podría ser utilizado comercialmente", dice en la nota de prensa de la OSA el primer autor del artículo, Carles Abellán, estudiante de doctorado en el ICFO (adscrito al Instituto de de Ciencia y Tecnología de Barcelona). "Este es probablemente sólo un ejemplo de las tecnologías cuánticas que pronto estarán disponibles para su uso en productos comerciales reales. Es un gran paso adelante en cuanto a integración se refiere".
El nuevo dispositivo funciona a velocidades del orden de gigabits por segundo, suficientemente rápido para el cifrado en tiempo real de los datos de comunicaciones, como llamadas por vídeo o por voz, o para cifrar grandes cantidades de datos que viajan desde y hacia un servidor como los utilizados por las plataformas de redes sociales.
También podría encontrar uso para realizar predicciones del mercado de valores y simulaciones científicas complejas de procesos aleatorios, como las interacciones biológicas o las reacciones nucleares. El ICFO ha publicado un Libro Blanco sobre el dispositivo, presentando sus posibles aplicaciones comerciales.
Números aleatorios
Los generadores de números aleatorios utilizados en la actualidad se basan en algoritmos informáticos o en la aleatoriedad de los procesos físicos -esencialmente versiones complejas de tirar los dados una y otra vez para obtener números aleatorios. A pesar de que los números generados parecen ser aleatorios, saber cierta información, por ejemplo cuántos "dados" se están utilizando, puede permitir a los hackers deducir a veces los números, convirtiendo los datos protegidos en vulnerables a la piratería.
El nuevo dispositivo, sin embargo, genera números aleatorios basados en las propiedades cuánticas de la luz, un proceso que es inherentemente aleatorio y por lo tanto imposible de predecir, por mucha cantidad de información que se conozca. Aunque otros investigadores han desarrollado generadores de números aleatorios cuánticos, todos ellos eran o más grandes o más lentos que el nuevo dispositivo.
"Hemos demostrado previamente que los procesos cuánticos que tienen lugar muestran aleatoriedad real", dice Valerio Pruneri, también del ICFO, que dirigió la colaboración. "En este nuevo trabajo, hemos hecho un gran avance tecnológico usando un nuevo diseño que incluye dos láseres que interfieren entre sí en un espacio confinado. Esto hace que el dispositivo sea más pequeño, manteniendo las mismas propiedades que se utilizaron en los últimos experimentos".
Los investigadores fueron capaces de producir un tren de pulsos con amplitudes casi iguales y fases aleatorias. Luego, con la ayuda de un interferómetro, fueron capaces de interferir los pulsos, generando pulsos de amplitud aleatoria, que se detectaron y se digitalizaron para producir la secuencia aleatoria de números.
El dispositivo
Los investigadores utilizaron tecnología de circuito fotónico integrado (PIC) para crear dos generadores de números cuánticos que en conjunto miden 6 x 2 milímetros. La tecnología PIC ofrece una manera de integrar componentes fotónicos -como los láseres y detectores utilizados por el nuevo generador aleatorio cuántico- en un chip con un tamaño reducido y bajo consumo de energía.
Y más importante, los dispositivos basados en PIC puede integrarse con la electrónica tradicional, lo que podría permitir que el generador de números aleatorios sea utilizado en la electrónica necesaria para el cálculo o las comunicaciones.
"Hemos demostrado que las tecnologías cuánticas están al alcance práctico mediante la explotación de los PIC", dice Pruneri. "La generación cuántica de números aleatorios, así como la criptografía cuántica y otras tecnologías basadas en lo cuántico se beneficiarán de la tecnología basada en PIC, ya que permite construir productos comerciales e innovadores. La nuestra es una primera demostración".
En el estudio han participado también, informa el ICFO, su investigador Waldimar Amaya y el profesor Morgan Mitchell, así como David Doménech, Pascual Muñoz, y José Capmany, de VLC Photonics y la UPV, y Stefano Longhi, del Politécnico de Milán.
Los investigadores utilizaron tecnología de circuito fotónico integrado (PIC) para crear dos generadores de números cuánticos que en conjunto miden 6 x 2 milímetros. La tecnología PIC ofrece una manera de integrar componentes fotónicos -como los láseres y detectores utilizados por el nuevo generador aleatorio cuántico- en un chip con un tamaño reducido y bajo consumo de energía.
Y más importante, los dispositivos basados en PIC puede integrarse con la electrónica tradicional, lo que podría permitir que el generador de números aleatorios sea utilizado en la electrónica necesaria para el cálculo o las comunicaciones.
"Hemos demostrado que las tecnologías cuánticas están al alcance práctico mediante la explotación de los PIC", dice Pruneri. "La generación cuántica de números aleatorios, así como la criptografía cuántica y otras tecnologías basadas en lo cuántico se beneficiarán de la tecnología basada en PIC, ya que permite construir productos comerciales e innovadores. La nuestra es una primera demostración".
En el estudio han participado también, informa el ICFO, su investigador Waldimar Amaya y el profesor Morgan Mitchell, así como David Doménech, Pascual Muñoz, y José Capmany, de VLC Photonics y la UPV, y Stefano Longhi, del Politécnico de Milán.
Referencia bibliográfica:
C. Abellan, W. Amaya, D. Domenech, P. Muñoz, J. Capmany, S. Longhi, M.W. Mitchell, V. Pruneri: A quantum entropy source on an InP photonic integrated circuit for random number generation. Optica (2016). DOI: 10.1364/OPTICA.000989
C. Abellan, W. Amaya, D. Domenech, P. Muñoz, J. Capmany, S. Longhi, M.W. Mitchell, V. Pruneri: A quantum entropy source on an InP photonic integrated circuit for random number generation. Optica (2016). DOI: 10.1364/OPTICA.000989
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