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El protocolo BB84

El primer protocolo del mundo que permite crear una clave perfectamente aleatoria, protegida por las leyes de la física cuántica

¿Para qué sirve esto?

Imagina que eres Alicia y quieres enviarle un mensaje secreto a Bob. Hay una atacante — Eva — que intenta escuchar vuestra conversación.

En la criptografía clásica, Eva puede simplemente copiar todos vuestros mensajes sin que nadie lo note. Pero ¿y si existiera una forma de crear una clave tal que cualquier intento de escucha se detectara de inmediato?

Eso es exactamente lo que hace BB84. Es una protección al nivel de las leyes de la física. El intento de Eva de escuchar no solo corre el riesgo de ser descubierto: deja huellas inevitablemente. ¿Por qué? Para interceptar una señal cuántica, Eva tiene que medirla, y medir en el mundo cuántico siempre cambia el estado de la partícula. Esos cambios se manifiestan como errores, que Alicia y Bob detectan fácilmente.

¿Cómo funciona?

BB84 se apoya en una propiedad fundamental de la mecánica cuántica: es imposible "espiar" una partícula cuántica sin ser detectado. Vamos a verlo paso a paso:

1

Transmisión cuántica

Alicia prepara fotones (partículas de luz), codificando en cada uno un bit (0 o 1). Para cada bit elige al azar una de dos formas de codificación — una «base» (digamos «+» o «×»). Es como elegir un alfabeto para escribir la misma letra.

2

Medición a ciegas

Bob recibe los fotones. Para cada uno, él también elige al azar una base para medirlo.

Si su base coincide con la de Alicia, obtiene garantizadamente el bit correcto (0 o 1).

Si las bases no coinciden, el resultado de la medición será aleatorio (0 o 1 con un 50/50 de probabilidad), incluso si el fotón era perfecto.

3

Cribado por el canal público

Alicia y Bob anuncian abiertamente (¡por un canal normal y sin protección!) qué base usaron para cada fotón, pero no los bits en sí.

Los bits enviados y medidos con bases coincidentes se conservan. Serán la base de la clave secreta.

Los bits con bases distintas se descartan.

4

Detectando al espía (¡aquí aparece el QBER!)

Ahora Alicia y Bob tienen una clave preliminar formada por los bits coincidentes. Para comprobar que está limpia, comparan abiertamente una pequeña muestra aleatoria de esos bits.

Si no hubo Eva: casi todos los bits de verificación de Alicia y Bob coincidirán. Unos pocos por ciento de discrepancias se deben al ruido natural del equipo (en el juego, alrededor del 2%).

Si Eva escuchaba: para interceptar un fotón tuvo que medirlo. Igual que Bob, adivinaba la base a ciegas. La mitad de las veces se equivocaba, cambiaba irreversiblemente el estado del fotón y enviaba a Bob un fotón estropeado. Si Eva intercepta cada fotón, cerca del 25% de los bits de verificación no coincidirán; si solo intercepta una parte, habrá proporcionalmente menos errores.

5

Limpieza de la clave

Los bits de verificación se revelaron públicamente, así que ya no entran en la clave. Los bits restantes pasan por la corrección de errores: Alicia y Bob comparan las paridades de pequeños bloques y corrigen las escasas discrepancias sin revelar los bits.

Después viene la amplificación de privacidad: la clave se comprime, por ejemplo sustituyendo grupos de bits por su XOR. Si Eva conocía algunos bits, tras la compresión su conocimiento se convierte en ruido aleatorio.

Etapas del protocolo BB84
1
🔧 Preparación de los estados cuánticos
  • Alicia genera bits aleatorios (0/1)
  • Para cada bit elige al azar una base (+ o ×)
  • Envía los fotones por el canal cuántico
2
📊 Medición de los estados
  • Bob recibe los fotones
  • Para cada fotón elige al azar una base
  • Mide los fotones en las bases elegidas
3
⏳ Cribado de la clave
  • Alicia y Bob comentan las bases por el canal público
  • Conservan los bits con bases coincidentes (~50%)
  • Se forma la clave "en bruto"
4
🔍 Comprobación de escuchas
  • Comparan una parte de los bits de la clave en bruto
  • Calculan el QBER (tasa de errores)
  • ¿QBER ≥ 11%? ¡La clave se descarta!
La clave secreta
Si el QBER está por debajo del 11%, los bits restantes pasan por la corrección de errores y la amplificación de privacidad y se convierten en una clave secreta para el cifrado simétrico
QBER < 11% → la clave se puede usar
* QBER (Quantum Bit Error Rate) es la proporción de errores en los bits de verificación. El umbral del 11% es el límite de seguridad demostrado de BB84 (Shor y Preskill, 2000): por encima, Eva puede saber de la clave más de lo que la compresión logra borrar.
Idea clave: ¡Un porcentaje alto de errores (QBER) es una señal de alarma! Señala directamente una interferencia. En ese caso la clave se descarta y la transmisión empieza de nuevo. Si los errores están dentro del ruido, los bits restantes se convierten en clave secreta tras la corrección de errores y la compresión. No es complejidad matemática, sino una imposibilidad física de escuchar sin dejar rastro.

Y ahora, la verdadera magia

¿Qué harás en la simulación?

En el juego no solo lees sobre BB84: lo vives desde todos los roles. Verás cómo el azar al elegir bases se convierte en una clave cuyo espionaje no se puede ocultar, y entenderás por qué la criptografía cuántica no es magia, sino física.

Para los curiosos

Contexto histórico

El protocolo BB84 fue propuesto por Charles Bennett y Gilles Brassard en 1984 (de ahí el nombre). Fue el primer protocolo de distribución cuántica de claves prácticamente realizable, que abrió una nueva era en la criptografía.

¿Por qué exactamente un 25% de errores?

En el protocolo BB84 ideal, si Eva intercepta cada fotón y lo reenvía, adivina la base con un 50% de probabilidad. Cuando adivina bien, no deja rastro. Cuando se equivoca, introduce un error con un 50% de probabilidad. En total: 50% (probabilidad de elegir la base equivocada) × 50% (probabilidad de que eso genere un error) = 25% de errores en la clave.

En el juego eliges cómo actúa Eva. Si intercepta cada fotón, el QBER es de alrededor del 25% más el ruido: Eva se ve enseguida. En el modo aleatorio, el 30% de las veces no está, y si no, intercepta entre el 5% y el 35% de los fotones: el QBER crece aproximadamente una cuarta parte de la proporción interceptada, y una Eva débil puede ser difícil de distinguir del ruido, igual que en la realidad.

Temas para profundizar

Si quieres profundizar en la teoría, estos son los temas clave que vale la pena estudiar:

Bases y estados cuánticos

Polarización de fotones, polarización diagonal y circular, representación de estados en la esfera de Bloch

El teorema de no clonación

Por qué no se puede crear una copia exacta de un estado cuántico desconocido y cómo esto protege el protocolo

Reconciliación de la clave

Cómo Alicia y Bob encuentran y corrigen las discrepancias de la clave (protocolos Cascade, LDPC) revelando lo menos posible sobre ella

Ataques a implementaciones de BB84

Ataques de canal lateral, ataques a detectores, ataques de deslumbramiento y cómo defenderse de ellos

Implementaciones prácticas

Redes cuánticas satelitales, sistemas de fibra óptica, soluciones comerciales de QKD

Postprocesado de la clave

Reconciliación, amplificación de privacidad, autenticación del canal clásico

Estado actual

Hoy, BB84 y sus variantes tienen potencial de aplicación en:

  • Transacciones bancarias seguras
  • Comunicaciones gubernamentales y diplomáticas
  • Redes cuánticas entre centros de investigación
  • Sistemas de comunicación cuántica por satélite

¡Ahora que entiendes los fundamentos, es el momento perfecto para probarlo en la práctica y ver el protocolo en acción!

En el juego podrás aplicar todo lo aprendido y ver BB84 en una simulación interactiva