Research Article

Algoritmo quântico eficiente para criptografia pós-quântica

DOI:

10.3791/68934

November 14th, 2025

In This Article

Summary

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Este protocolo descreve a implementação de uma "Criptografia baseada em código" com um circuito quântico explícito para criptografia quântica eficiente com uma grande chave assimétrica, utilizando aritmética quântica com transformação quântica de Fourier.

Abstract

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A realização de computadores quânticos pode afetar significativamente a sociedade e a segurança global de várias maneiras. Uma quantidade considerável de pesquisas tem sido sobre criptografia quântica - máquinas que exploram sensações quânticas computadorizadas para resolver problemas matemáticos inacessíveis a computadores convencionais. A florescente 6ª geração de 'computação quântica' pode quebrar e ameaçar grande parte da atual proteção estabelecida e da economia digital, mas pode fornecer alternativas criptográficas. Assim, conseguimos otimizar vários processos de forma mais eficaz, melhorando a eficiência e permitindo simulações mecânicas quânticas mais rápidas para um melhor design de medicamentos e materiais, entre outras aplicações. Esta pesquisa se concentra na implementação de um algoritmo criptográfico pós-quântico, conectando a multiplicação quântica de grandes números com um gerador quântico de números aleatórios (QRNG). Uma abordagem criptográfica baseada em código usando uma Transformação Quântica de Fourier (QFT) é adotada com uma chave assimétrica gigante em um circuito quântico explícito para estabelecer um sistema de comunicação quântica seguro. Neste trabalho de pesquisa, um 'texto simples' (dados clássicos) foi criptografado com QRNG usando um multiplicador quântico com o auxílio da aritmética quântica. Consequentemente, os dados quânticos resultantes com dados QRNG serão transmitidos para a extremidade receptora através do canal quântico, onde o divisor quântico descriptografa o mesmo. Além disso, os resultados da simulação do IBM Qiskit de cada componente pretendido e a análise comparativa com trabalhos e algoritmos anteriores sugerem mais robustez e confiabilidade do algoritmo de prova quântica proposto ao considerar dispositivos quânticos de qubit grande. O trabalho fornece uma direção valiosa para novos desenvolvimentos neste domínio e abre caminho para futuras aplicações da computação quântica na criptografia pós-quântica.

Introduction

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A computação quântica é baseada em bits quânticos (qubits), que diferem fundamentalmente dos bits clássicos. Enquanto um bit clássico pode existir apenas no estado 0 ou 1, um qubit pode representar 0, 1 ou qualquer superposição linear de ambos os estados simultaneamente. Essa propriedade permite que os sistemas quânticos armazenem e processem um grande número de valores em paralelo, em vez de sequencialmente. Após a medição, o qubit entra em colapso para um estado definido, fornecendo o resultado computacional. O paralelismo inerente ao processamento quântico oferece uma aceleração significativa, com estimativas sugerindo que os compu....

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Protocol

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Este artigo emprega o algoritmo, utilizando aritmética quântica e Transformação Quântica Rápida de Fourier13, para descriptografar a mensagem dividindo o texto cifrado pela chave simétrica. O objetivo principal deste estudo é demonstrar a implementação quântica da criptografia baseada em chave simétrica gerando uma chave aleatória, empregando um grande algoritmo de multiplicação e realizando um grande número de divisões no Ambiente IBMQ v1.7.4. A Figura 1 descreve o processo de ponta a ponta para implementar a criptografia baseada em chave simétrica. Supõe-se que a chave simétrica ....

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Results

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Todos os componentes do circuito acima mencionado (Figura 1) foram implementados usando código Python (Arquivos Suplementares 1-3) com IBM Qiskit e executados em um simulador Local e IBMQ. No entanto, eles não são capazes de executar em dispositivos quânticos devido à falta de qubits disponíveis gratuitamente em dispositivos quânticos existentes. A saída do histograma nos simuladores Local e IBMQ para todos .......

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Discussion

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O sucesso do protocolo de criptografia quântica proposto depende de três estágios críticos: Geração de Números Aleatórios Quânticos (QRNG), Operações Aritméticas Quânticas usando Transformação Quântica Rápida de Fourier (QFFT e QIFFT) e Embaralhamento e Reorganização de Chaves Quânticas. O estágio QRNG estabelece a base da segurança gerando chaves simétricas verdadeiramente aleatórias3. As operações aritméticas, executadas usando portas QFFT controladas e QFFT inv.......

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Disclosures

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Os autores não têm conflito de interesses.

Acknowledgements

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Este trabalho foi apoiado pelo Projeto de Apoio aos Pesquisadores da Universidade Princesa Nourah bint Abdulrahman (PNURSP2025R755), Universidade Princesa Nourah bint Abdulrahman, Riad, Arábia Saudita. Os autores agradecem ao Reitor de Pós-Graduação e Pesquisa Científica da Universidade de Bisha por apoiar este trabalho por meio do Programa de Apoio à Pesquisa Fast-Track.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
GPU A100NVIDIAGPU 80G
ibm_brisbaneIBMhttps://quantum.ibm.com/O computador quântico supercondutor da família IBM Quantum Eagle.
python3.10Fundação de Software Pythonhttps://www.python.org/downloads/release/python-3100/
QiskitIBMhttps://www.ibm.com/quantum/qiskitUm SDK de código aberto para trabalhar com computadores quânticos no nível de circuitos quânticos estendidos, operadores e 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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