Research Article

Algoritmo cuántico eficiente para criptografía poscuántica

DOI:

10.3791/68934

November 14th, 2025

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Summary

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Este protocolo describe la implementación de una "criptografía basada en código" con un circuito cuántico explícito para una criptografía cuántica eficiente con una clave asimétrica grande mediante la utilización de aritmética cuántica con transformación cuántica de Fourier.

Abstract

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La realización de las computadoras cuánticas podría afectar significativamente a la sociedad y la seguridad global de muchas maneras. Una cantidad considerable de investigación se ha centrado en la criptografía cuántica: máquinas que explotan sensaciones computarizadas cuánticas para resolver problemas matemáticos inaccesibles para las computadoras convencionales. La floreciente 6ª generación de 'computación cuántica' puede romper y amenazar gran parte de la protección y la economía digital establecidas actualmente, pero puede proporcionar alternativas criptográficas. Por lo tanto, podemos optimizar varios procesos de manera más efectiva, mejorando la eficiencia y permitiendo simulaciones de mecánica cuántica más rápidas para un mejor diseño de medicamentos y materiales, entre otras aplicaciones. Esta investigación se centra en la implementación de un algoritmo criptográfico postcuántico conectando la multiplicación cuántica de grandes números con un generador cuántico de números aleatorios (QRNG). Se toma un enfoque criptográfico basado en código que utiliza una transformación cuántica de Fourier (QFT) con una clave asimétrica gigante en un circuito cuántico explícito para establecer un sistema de comunicación cuántica seguro. En este trabajo de investigación, se ha cifrado un "texto plano" (datos clásicos) con QRNG utilizando un multiplicador cuántico con la ayuda de la aritmética cuántica. En consecuencia, los datos cuánticos resultantes con datos QRNG se transmitirán al extremo del receptor a través del canal cuántico, donde el divisor cuántico los descifra. Además, los resultados de la simulación IBM Qiskit de cada componente previsto y el análisis comparativo con trabajos y algoritmos anteriores sugieren una mayor robustez y confiabilidad del algoritmo de prueba cuántica propuesto cuando se consideran dispositivos cuánticos de qubit grandes. El trabajo proporciona una dirección valiosa para futuros desarrollos en este dominio y allana el camino para futuras aplicaciones de la computación cuántica en criptografía poscuántica.

Introduction

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La computación cuántica se basa en bits cuánticos (qubits), que difieren fundamentalmente de los bits clásicos. Mientras que un bit clásico solo puede existir en el estado 0 o 1, un cúbit puede representar 0, 1 o cualquier superposición lineal de ambos estados simultáneamente. Esta propiedad permite a los sistemas cuánticos almacenar y procesar una gran cantidad de valores en paralelo en lugar de secuencialmente. Tras la medición, el cúbit se colapsa a un estado definido, proporcionando el resultado computacional. El paralelismo inherente del procesamiento cuántico ofrece una aceleración significativa, con estimaciones que sugieren qu....

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Protocol

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Este artículo emplea el algoritmo, utilizando aritmética cuántica y transformación cuántica rápida de Fourier13, para descifrar el mensaje dividiendo el texto cifrado por la clave simétrica. El objetivo principal de este estudio es demostrar la implementación cuántica de la criptografía basada en claves simétricas mediante la generación de una clave aleatoria, el empleo de un gran algoritmo de multiplicación y la realización de un gran número de divisiones en el entorno IBMQ v1.7.4. La Figura 1 muestra el proceso de extremo a extremo para implementar el cifrado simétrico basado en ....

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Results

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Todos los componentes del circuito mencionado anteriormente (Figura 1) se han implementado utilizando código Python (Archivos complementarios 1-3) con IBM Qiskit y ejecutados en un simulador Local e IBMQ. Sin embargo, no pueden ejecutarse en dispositivos cuánticos debido a la falta de qubits disponibles gratuitamente en los dispositivos cuánticos existentes. A continuación se muestra la salida del histograma.......

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Discussion

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El éxito del protocolo de criptografía cuántica propuesto se basa en tres etapas críticas: generación de números aleatorios cuánticos (QRNG), operaciones aritméticas cuánticas mediante transformación cuántica rápida de Fourier (QFFT y QIFFT) y barajado y reorganización de claves cuánticas. La etapa QRNG establece la base de la seguridad mediante la generación de claves simétricas verdaderamente aleatorias3. Las operaciones aritméticas, ejecutadas utilizando QFFT c.......

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Disclosures

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Los autores no tienen ningún conflicto de intereses.

Acknowledgements

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Este trabajo fue apoyado por el Proyecto de Apoyo a Investigadores de la Universidad Princesa Nourah bint Abdulrahman (PNURSP2025R755), Universidad Princesa Nourah bint Abdulrahman, Riad, Arabia Saudita. Los autores agradecen al Decanato de Estudios de Posgrado e Investigación Científica de la Universidad de Bisha por apoyar este trabajo a través del Programa de Apoyo a la Investigación de Vía Rápida.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
GPU A100NVIDIAGPU 80G
ibm_brisbaneIBMhttps://quantum.ibm.com/El ordenador cuántico superconductor de la familia IBM Quantum Eagle.
python3.10Fundación de Software Pythonhttps://www.python.org/downloads/release/python-3100/
QiskitIBMhttps://www.ibm.com/quantum/qiskitUn SDK de código abierto para trabajar con ordenadores cuánticos a nivel de circuitos cuánticos extendidos, operadores y primitivas.

References

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  1. Quantum cryptography in practice. Elliott, C., Pearson, D., Troxel, G. Proc Conf Appl Technol Archit Protocols Comput Commun, 2003, 227-238 (2003).
  2. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. Bennett, C. H., Brassard, G. Proc IEEE Int Conf Comput Syst Signal Process, 1 (1), 175-179 (1984).
  3. Techateerawat, P. A review on quantum cryptography technology. Int Trans J Eng Manage Appl Sci Technol.

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Quantum AlgorithmPost Quantum CryptographyQuantum ComputingQuantum CryptographyQuantum Fourier TransformationQuantum Random Number GeneratorQuantum MultiplicationQuantum CircuitQuantum CommunicationIBM Qiskit

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