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Computación cuántica: Una amenaza para la criptografía blockchain

Computación cuántica amenaza a la blockchain
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Básicamente, la criptografía es una técnica que nos sirve para proteger documentos y datos, mediante la utilización de cifras o códigos para escribir algo secreto. Su utilización es tan antigua como la escritura, y los primeros indicios claros de su uso vienen de la historia romana

Pero es a partir de la evolución de las computadoras, que la criptografía fue ampliamente divulgada, empleada y modificada, y se constituyó luego con algoritmos matemáticos. Además de mantener la seguridad del usuario, la criptografía preserva la integridad de la web, la autenticación del usuario así como también la del remitente, el destinatario y de la actualidad del mensaje o del acceso.

Los proyectos de blockchain de hoy utilizan soluciones criptográficas con el fin de brindar el alto nivel de seguridad, privacidad y hasta anonimato que los caracteriza. Pero más allá de las amenazas conocidas como el ataque de 51%, o los problemas de programación y fallas éticas de los desarrolladores, hay una amenaza adicional que se perfila en el horizonte y es; la computación cuántica.

Frente a esta nueva tecnología, que ya es una realidad aún en desarrollo, muchos algoritmos criptográficos pueden ser fácilmente traspasados, lo que origina problemas de confianza y seguridad. En tal sentido toca preguntarse: ¿Qué es la computación cuántica y como los proyectos blockchain pueden protegerse frente a ella?

Computación cuántica – Una realidad en desarrollo

La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la computación clásica. Se basa en el uso de qubits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Una misma tarea puede tener diferente grados de complejidad en computación clásica y en computación cuántica. Esto ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables. Mientras que un computador clásico equivale a una máquina de Turing,​ un computador cuántico equivale a una máquina de Turing cuántica.

El diseño de esta idea, se basa en los trabajos de los físicos Max Planck y Albert Einstein, quienes propusieron que la luz no es una onda continua (como las ondas de un estanque) sino que está dividida en pequeños paquetes o cuantos. Esta idea, en apariencia simple, servía para resolver un problema llamado la «catástrofe ultravioleta». Pero a lo largo de los años otros físicos fueron desarrollándola y llegando a conclusiones sorprendentes sobre la materia, de las cuales a nosotros nos interesarán dos: la superposición de estados y el entrelazamiento.

Computación Cuántica

Igual que un bit, un qubit representa una unidad básica de información, pero una unidad de información cuántica, que se rige por las normas de la física cuántica y por ello el qubit puede ser 0 o 1, o algo entre estos. De hecho, puede ser 1 y 0, paralelamente.

Por su parte, el efecto “contenedor” de los transistores y puertas lógicas se sustituyen por otros procesos más complicados, y hay varios, pero la idea es la misma: “aislar” al qubit como ocurre dentro del transistor. Esta habilidad de los qubits trae nuevas posibilidades a la realidad, la capacidad de procesar información de forma única y expedita. Como por ejemplo la posibilidad de analizar vastas cantidades de información (BigData) que ni siquiera uniendo toda la capacidad computacional convencional actual podría ser analizada.

Este potencial es el que invita a la inversión e investigación en computación cuántica, un potencial que ayudaría en campos como la medicina, la física, química, matemáticas… y en las matemáticas entra también la actual criptografía, muy usada en los proyectos blockchain.

Criptografía en proyectos blockchain

La criptografía está en el corazón de cualquier blockchain, proporcionando la funcionalidad básica del sistema. La arquitectura de blockchain implica que la confianza entre los participantes de la red se basa en los principios de matemáticas y economía, es decir, formalizados. La criptografía también garantiza la seguridad, basada en la transparencia y la verificabilidad de todas las operaciones, en contraste con el enfoque tradicional de la industria de visibilidad limitada de las partes críticas del sistema (seguridad del perímetro).

La función hash es la base criptográfica de la mayoría de las criptomonedas existentes. Puede asignar datos de entrada de un tamaño arbitrario a datos de un tamaño fijo, es decir, convertir una matriz de datos de longitud aleatoria en una cadena de bits de longitud fija. Esta operación es irreversible: en otras palabras, en la función f (x) = y, podemos encontrar y si conocemos x, pero no podemos encontrar x conociendo y. En Bitcoin, la función de dicha función la realiza SHA-256.

Otra característica importante de las funciones hash es el hecho de que incluso el cambio más pequeño de los datos de entrada resultará en un cambio drástico de hash. Por lo tanto, la aplicación de funciones hash en blockchain es garantizar la integridad de toda la cadena de transacciones. Cada nuevo bloque de transacción se refiere al hash del bloque anterior en el libro mayor. El hash de ese bloque anterior depende de todas las transacciones pasadas en el bloque, pero en lugar de pasar el hash de una transacción a la siguiente, todas las funciones de hash se fusionan en una sola línea de hash de la transacción más reciente con la ayuda de un árbol hash binario (árbol Merkle).

Árbol Merkle

Árbol Merkle

Computación cuántica – Una amenaza a la blockchain

Las computadoras cuánticas son máquinas computacionales de un nivel fundamentalmente nuevo, que superan significativamente las existentes en términos de potencia de cálculo. Para tener idea un poco de la potencialidad de la computación cuántica pongamos un pequeño ejemplo:

En los cálculos clásicos, solo una de las 2 ^ n variantes de datos se carga en la memoria de la computadora. Por lo tanto, solo uno de los posibles 2 ^ n conjuntos de datos se procesa a la vez. Sin embargo, en la memoria de la computadora cuántica, todas las 2 ^ n variantes de datos iniciales están presentes y procesadas simultáneamente. Eso significa que la función para todas las posibles 2 ^ n variantes de un conjunto de datos se calcula durante una operación (al final, solo se obtendrá una solución).

De esta manera, la potencia de cálculo de los dispositivos cuánticos ayudará a obtener una clave privada utilizando el algoritmo de Shor (reducción de la resistencia y aplicación de nuevos métodos de cálculo). Este nivel de paralelismo en el procesamiento de datos es lo que amenaza a la blockchain, en especial a su uso de la criptografía.

Pongamos otro ejemplo más cercano al uso de la criptografía en la blockchain:

El algoritmo SHA-256 usado por Bitcoin permite crear combinaciones de hashes únicos. Imaginen que un atacante desea conocer los datos detrás de un hash block de Bitcoin, pero se enfrenta a 2^200 combinaciones diferentes. Realizar un ataque de esta magnitud usando un computador convencional le llevaría millones de años, algo impráctico y costoso.

Pero con un computador cuántico, con capacidad de almacenar todas estas combinaciones en su memoria, las mismas serían procesadas paralelamente al mismo tiempo, obteniendo el resultado final en una sola operación, resultando en el rompimiento del hash. La misma situación puede repetirse con el algoritmo criptográfico ECDSA del Bitcoin, con el que se aseguran las claves públicas y privadas, rompiendo todo el esquema de seguridad del Bitcoin.

Parece una pesadilla para los desarrolladores del Bitcoin, de otras criptomonedas y software que hagan uso de la tecnología blockchain, pero no lo es. Es una amenaza en el horizonte para la cual ya están preparando nuevos algoritmos y formas cuántica-resistentes como lo son:

  1. Criptografía basada en hash.
  2. Criptografía basada en código.
  3. Criptografía multivariable.
  4. Criptografía isogenia de la curva elíptica supersingular.
  5. Clave simétrica de resistencia cuántica.
  6. Criptografía basada en celosía.

Al tener claves suficientemente largas y cumplir con los requisitos de seguridad, estos métodos pueden resistir los ataques clásicos y los ataques cuánticos. Desafortunadamente, debido a la dificultad técnica y al gran tamaño de las firmas resistentes a los cuánticos, las soluciones existentes no pueden igualar la amenaza que se avecina.

Sin dudas la tecnología nos empodera con opciones únicas y muy potentes capaces de cambiar al mundo tal cual lo conocemos, pero al mismo tiempo, nos brida el poder de romper tales opciones. Esta situación nos impulsa a evolucionar, a mejorar creando nuevas opciones y paradigmas que al final nos impulsen a a nuevos estados y cambios en el como vemos y nos relacionamos con el mundo.

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