A medida que avanzan los ordenadores cuánticos, se espera que puedan romper los sistemas de seguridad comprobados que actualmente mantienen a salvo la mayoría de los datos sensibles de los atacantes. Científicos y responsables de políticas públicas están trabajando en diseñar e implementar criptografía post-cuántica para defenderse de estos ataques futuros.

Investigadores del MIT han desarrollado un microchip ultraficiente que puede llevar técnicas de criptografía post-cuántica a dispositivos biomédicos inalámbricos, como marcapasos y bombas de insulina. Estos dispositivos portátiles, ingeribles o implantables suelen estar demasiado limitados en energía como para implementar estos protocolos de seguridad que requieren mucha capacidad de cómputo.

Su diminuto chip, que es aproximadamente del tamaño de la punta de una aguja muy fina, también incluye protecciones integradas contra intentos de hackeo físico que pueden eludir el cifrado para robar datos del usuario, como el número de seguro social de un paciente o las credenciales del dispositivo. En comparación con diseños anteriores, la nueva tecnología es más de un orden de magnitud más eficiente energéticamente.

A largo plazo, el nuevo chip podría permitir que la próxima generación de dispositivos médicos inalámbricos mantenga una seguridad sólida incluso a medida que la computación cuántica se vuelva más frecuente. Además, podría aplicarse a muchos tipos de dispositivos de borde con recursos limitados, como sensores industriales y etiquetas inteligentes de inventario.

“Los pequeños dispositivos de borde están en todas partes, y los dispositivos biomédicos suelen ser los objetivos de ataque más vulnerables porque las limitaciones de energía les impiden tener los niveles más avanzados de seguridad. Hemos demostrado una solución de hardware muy práctica para proteger la privacidad de los pacientes”, dice Seoyoon Jang, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación (EECS) del MIT y autora principal de un artículo sobre el chip.

Jang cuenta en el artículo con la colaboración de Saurav Maji, PhD ‘23; la investigadora visitante Rashmi Agrawal; las estudiantes de posgrado en EECS Hyemin Stella Lee y Eunseok Lee; Giovanni Traverso, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, gastroenterólogo en el Brigham and Women’s Hospital, y miembro asociado del Broad Institute del MIT y Harvard; y el autor principal Anantha Chandrakasan, rector del MIT y profesor Vannevar Bush de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación. La investigación se presentó recientemente en la IEEE Custom Integrated Circuits Conference.

Mayor seguridad

Un gran porcentaje de los dispositivos biomédicos inalámbricos, como los biosensores ingeribles para el monitoreo de la salud, actualmente carecen de una protección sólida debido a las exigencias computacionales de los protocolos de seguridad existentes, señala Jang.

Pero la complejidad de la criptografía post-cuántica (PQC, por sus siglas en inglés) puede aumentar el consumo de energía en dos o tres órdenes de magnitud.

Implementar la PQC es de suma importancia, ya que organismos reguladores como el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) pronto comenzarán a eliminar los protocolos tradicionales de criptografía en favor de algoritmos de PQC más sólidos. Además, algunos líderes de la industria creen que los rápidos avances en el hardware cuántico hacen que la implementación de PQC sea aún más urgente.

Para llevar estos protocolos de PQC, que requieren mucha energía, a dispositivos biomédicos inalámbricos, los investigadores del MIT diseñaron un microchip personalizado, conocido como circuito integrado específico de aplicación (ASIC, por sus siglas en inglés), que reduce drásticamente el consumo de energía mientras garantiza el más alto nivel de seguridad.

“La PQC es muy segura a nivel algorítmico, pero hacer que un dispositivo sea resistente a ataques físicos usualmente requiere contramedidas adicionales que elevan el consumo de energía al menos dos o tres veces. Queremos que nuestro chip sea robusto frente a ambas amenazas de seguridad de manera muy ligera”, comenta Jang.

Un enfoque multifacético

Para lograr estos objetivos, los investigadores incorporaron varias características de diseño en el chip.

Primero, implementaron dos esquemas diferentes de PQC para mejorar la robustez y “preparar a prueba de futuro” su dispositivo en caso de que uno de los esquemas se considere inseguro más adelante. Para aumentar la eficiencia energética, aplicaron técnicas que permiten a los algoritmos de PQC compartir la mayor cantidad posible de los recursos computacionales del chip.

En segundo lugar, los investigadores diseñaron un generador de números aleatorios verdaderos, eficiente y en el propio chip. Este dispositivo genera continuamente números aleatorios para utilizar en llaves secretas, lo cual es esencial para implementar PQC.

El diseño integrado mejora la eficiencia energética y la seguridad en comparación con los enfoques estándar, que por lo general reciben los números aleatorios de un chip externo.

En tercer lugar, implementaron contramedidas que previenen un tipo de intento de hackeo físico, llamado ataque de canal lateral de potencia, pero solo en las partes más vulnerables de los protocolos PQC.

En los ataques de canal lateral de potencia, los hackers roban información secreta analizando el consumo de energía de un dispositivo mientras procesa datos. Los investigadores del MIT añadieron la redundancia justa a las operaciones de PQC para garantizar que el chip esté protegido contra este tipo de ataques.

En cuarto lugar, diseñaron un mecanismo de detección temprana de fallos para que el chip aborte las operaciones rápidamente si detecta una alteración de voltaje.

Los dispositivos biomédicos inalámbricos suelen tener fuentes de energía irregulares, por lo que son susceptibles a fallos que pueden causar que todo el procedimiento de seguridad fracase. El enfoque del MIT ahorra energía evitando que el chip complete un procedimiento condenado al fracaso.

“Al final del día, gracias a las técnicas que utilizamos, podemos aplicar estos elementos de criptografía post-cuántica sin añadir más sobrecarga, con el beneficio agregado de robustez frente a ataques de canal lateral”, afirma Jang.

Su dispositivo consiguió entre 20 y 60 veces más eficiencia energética que todas las demás técnicas de seguridad de PQC con las que se le comparó, y ocupa un área más compacta que muchos chips existentes.

“A medida que avanzamos hacia enfoques post-cuánticos, proporcionar seguridad sólida incluso a los dispositivos con menos recursos es esencial. Este trabajo muestra que la protección criptográfica robusta para dispositivos biomédicos y de borde puede lograrse juntamente con eficiencia energética y programabilidad”, dice Chandrakasan.

En el futuro, los investigadores quieren aplicar estas técnicas a otras aplicaciones vulnerables y dispositivos con limitaciones de energía.

Esta investigación fue financiada, en parte, por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada para la Salud de Estados Unidos.

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