Durante décadas, la célebre frase de Einstein, “Dios no juega a los dados con el universo”, simbolizó la resistencia a aceptar que el azar gobierna el mundo subatómico. Hoy, la física cuántica y la criptografía demuestran que, al menos en la generación de números aleatorios, el universo sí lanza dados, y lo hace de forma tan transparente y rastreable que cualquier intento de manipulación resulta imposible.
Un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado en Boulder (CU) ha desarrollado un generador de números aleatorios basado en los principios de la mecánica cuántica, cuyos resultados son completamente rastreables, auditables y certificables.
Este sistema, que culmina en un servicio público llamado Colorado University Randomness Beacon (CURBy), soluciona las limitaciones fundamentales de los generadores de números aleatorios tradicionales y representa una de las primeras aplicaciones públicas que opera con una ventaja cuántica demostrable.
El problema de la aleatoriedad
La generación de números impredecibles es crucial para la seguridad digital, la criptografía y aplicaciones que requieren una distribución justa de recursos, como las loterías o la selección de jurados. Sin embargo, los sistemas existentes presentan deficiencias significativas.
Los generadores de números pseudoaleatorios, basados en algoritmos informáticos, son auditables, pero sus resultados son predecibles si se conoce la «semilla» inicial. Esto significa que, si alguien conoce el valor inicial (la ‘semilla’) con el que se ha iniciado el generador, podrá calcular de antemano todos los números que este producirá, ya que la secuencia generada es siempre la misma para una misma semilla y algoritmo, perdiéndose así la verdadera aleatoriedad.
Por otro lado, los generadores basados en hardware que aprovechan fenómenos físicos clásicos no pueden ser certificados como impredecibles sin confiar ciegamente en los modelos de sus componentes, lo que abre la puerta a posibles manipulaciones o fallos no detectados.
Incluso los generadores cuánticos previos, aunque garantizan que la fuente de aleatoriedad es desconocida de antemano, son vulnerables a la manipulación en las etapas de extracción de los números. El nuevo protocolo, que se describe en un artículo publicado en la revista Nature, supera estos obstáculos al combinar la imprevisibilidad fundamental de la física cuántica con un sistema criptográfico que garantiza la integridad de todo el proceso.
Dados lanzados por el universo
El núcleo del sistema CURBy es un experimento de física cuántica conocido como Test de Bell, que aprovecha un fenómeno que Albert Einstein denominó «acción fantasmal a distancia»: el entrelazamiento cuántico. El proceso funciona de la siguiente manera: en primer lugar, se genera un par de fotones (partículas de luz) entrelazados dentro de un cristal especial. Esto significa que sus propiedades están intrínsecamente conectadas, sin importar la distancia que los separe.
A continuación, esos fotones viajan a través de fibra óptica a dos laboratorios separados por aproximadamente 110 metros. En cada laboratorio, se mide una propiedad de los fotones, como su polarización. Debido a las leyes de la mecánica cuántica, el resultado de cada medición es genuinamente aleatorio e impredecible.
El sistema realiza este proceso 250.000 veces por segundo, generando un flujo masivo de datos crudos. Estos millones de «lanzamientos de moneda cuántica» se envían a un ordenador en la Universidad de Colorado, donde se procesan para convertirlos en una cadena de 512 bits aleatorios y uniformes. El sistema ha demostrado una alta fiabilidad, con una tasa de éxito del 99.7% durante sus primeros 40 días de operación.
Protocolo para una confianza total
Para garantizar que el proceso no solo es aleatorio en su origen, sino también incorruptible en su ejecución, los investigadores desarrollaron el protocolo «Twine». Este sistema, inspirado en la tecnología blockchain, crea un registro público, inmutable y verificable de cada paso.
El protocolo Twine funciona entrelazando «cadenas de hashes» de múltiples entidades independientes que participan en el proceso (NIST, CU Boulder y otros servicios externos). Un hash es una especie de huella digital criptográfica única para un conjunto de datos. Cada participante registra sus acciones en su propia cadena, pero también incluye en sus registros los hashes de las cadenas de los demás. Esto crea una estructura de datos entrelazada (un grafo acíclico dirigido o DAG) donde cualquier intento de manipulación en un punto de la cadena sería inmediatamente detectado por los demás participantes, ya que las «huellas digitales» dejarían de coincidir.
Jasper Palfree, investigador del proyecto, describe este sistema como una forma de «tejer todos estos faros de aleatoriedad en un tapiz de confianza». Esta estructura distribuida garantiza la trazabilidad, el orden cronológico y la integridad de los datos, eliminando la necesidad de confiar en una única autoridad central, una característica propia de un sistema Blockchain.
Referencia
Traceable random numbers from a non-local quantum advantage. Gautam A. Kavuri et al. Nature (2025). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-025-09054-3
Un servicio público con ventaja cuántica
El resultado de esta investigación es CURBy, el primer faro de aleatoriedad cuántica de acceso público respaldado por una ventaja cuántica demostrable. Todo el proceso es de código abierto, lo que permite que cualquier persona no solo verifique los resultados, sino que también construya sobre esta base para crear sus propias aplicaciones.
Las aplicaciones potenciales son amplias y van desde la selección imparcial de candidatos para un jurado, la realización de auditorías aleatorias y la asignación de recursos en loterías públicas, hasta usos avanzados en criptografía. Este avance representa un paso significativo para llevar un experimento de física fundamental fuera del laboratorio y convertirlo en un servicio público útil y fiable, enfatizan los investigadores.
