Un ejemplo de “empujar” una puerta de Toffoli G pasado las puertas H 1, H 2, ⋯, HP para aniquilar G con su G ~ inverso (idéntico a G para una puerta de toffoli), reduciendo así el tamaño del circuito por dos puertas. Por lo general, en un circuito aleatorio sobre las líneas de bits, una puerta de toffoli puede viajar más allá de las puertas O (n) con las que viaja antes de encontrar una puerta con la que no viaja o, con probabilidad o (1 / n 3), es inverso. El proceso representado conduce a una compresión del tamaño del circuito en un factor (1 a 2 𝜉 / n 2), donde ξ es una constante de O (1). Crédito: Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2025). Doi: 10.1073/pnas.2415913122
En nuestro mundo hiperconectado, confiamos en las comunicaciones encriptadas todos los días: comprar en línea, firmar digitalmente documentos, hacer transacciones bancarias, verificar nuestros pasos en los rastreadores de acondicionamiento físico.
Pero el cifrado de hoy, que transforma los datos en formatos ilegibles para mantener nuestra información segura, está bajo una presión intensa. Los ciberdelincuentes son cada vez más sofisticados, y nuestras redes, llevadas con servicios en la nube y plataformas de terceros, son más vulnerables que nunca. JP Morgan informa que repele 45 mil millones de intentos de piratería al día.
La amenaza más significativa es algo llamado Y2Q o Q-Day: las computadoras cuánticas de fecha harán que la mayoría de los métodos de cifrado actuales sean obsoletos. Para comprender la escala, una computadora cuántica podría hacer en un día lo que la supercomputadora más rápida actual del mundo necesitaría para lograr milenios: romper el cifrado RSA-2048, un algoritmo que es la columna vertebral de la seguridad de Internet. No es una exageración decir que, sin cifrado, toda la seguridad de nuestro mundo conectado colapsaría, amenazando la estabilidad de la sociedad.
Si bien Y2Q puede estar a años de distancia, también existe una creciente necesidad de aumentar la resiliencia del cifrado. Los ataques de “cosecha ahora, descifrar más tarde” están aumentando, una estrategia en la que los ciberdelincuentes cosecharon datos cifrados hoy con la intención de descifrarlo más tarde cuando las herramientas cuánticas están disponibles.
Para abordar estos desafíos, un equipo de investigación multidisciplinario dirigido por la Universidad de Boston está desarrollando un enfoque inspirado en la física para la seguridad y la privacidad de los datos. Su método reinventa las bases de las herramientas de cifrado y dicen que promete ser más robusto, escalable y preparado para el futuro frente a las amenazas cibernéticas en rápida evolución.
El equipo, que incluye colaboradores de la Universidad de Cornell y la Universidad de Florida Central, acaba de publicar un artículo en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias que ilustra algunas de las ideas que impulsan su enfoque de la criptografía.
“Estamos en una nueva era de tecnología, donde las fronteras de la capacidad computacional se encuentran en la intersección de la informática clásica y cuántica, la IA y la seguridad de los datos”, dice el investigador principal Andrei Ruckenstein, un profesor distinguido de la Física Distinguida de BU.
“Los desafíos más urgentes y complejos en estas áreas, como la protección de datos confidenciales o la preparación para la amenaza cuántica, no pueden resolverse mediante el cifrado actual y los métodos de seguridad. Lo que es emocionante sobre este trabajo es que introduce un verdadero cambio de paradigma y proporciona nuevas capacidades posibles solo a través de diversas disciplinas que falsifican un cambio fundamental en el pensamiento”.
La computación cuántica aprovecha las propiedades inusuales de los muy pequeños, donde las partículas pueden existir en múltiples estados simultáneamente (superposición cuántica) y permanecer conectado a la distancia (enredo), lo que permite que una computadora cuántica explore muchas posibilidades a la vez, acelerando significativamente ciertos cálculos.
“Se espera que nuestro enfoque sea inherentemente resistente a los ataques clásicos y cuánticos”, dice Ruckenstein. “No solo fortalecería la confianza pública en los sistemas de inteligencia artificial, sino que también desbloquearía nuevas oportunidades para la innovación socialmente responsable con datos de datos”.
Protección de datos durante el uso
Los métodos de cifrado modernos, desarrollados hace aproximadamente 50 años, no podían imaginar las demandas computacionales de hoy, altas solo las de la era cuántica. Confiando en problemas matemáticos difíciles de resolver, estos sistemas en su mayoría solo protegen los datos en tránsito o en reposo, lo que los expuso durante el uso. Eso plantea un problema para aplicaciones intensivas en datos como los modelos de capacitación de IA, que procesan grandes cantidades de datos que a menudo son privados o confidenciales.
Los enfoques actuales generalmente requieren que los modelos descifraran datos durante la capacitación, dejándolo expuesto o empleen técnicas de preservación de la privacidad que ralentizan las velocidades de procesamiento, lo que hace que sean difíciles de aplicar a escala.
El proyecto NSF liderado por BU ofrece un nuevo camino hacia adelante. El esquema propuesto, llamado Computación de Operador Cifrado (EOC), fusiona la física, la informática y las matemáticas para desarrollar métodos escalables para calcular directamente en datos encriptados, considerado el “santo grial” de la criptografía.
“El enfoque es una alternativa al cifrado totalmente homomórfico (FHE), una herramienta criptográfica elegante y de última generación, que hasta ahora ha demostrado ser difícil aplicar a problemas prácticos a gran escala”, dice Ruckenstein.
El EOC permite a los usuarios manipular y obtener información de los datos confidenciales sin exponer la información sin procesar a terceros. Este nivel de seguridad y privacidad es esencial para aplicaciones como transacciones blockchain, modelos de IA médicos, servicios en la nube y más.
“Si bien nuestro método EOC está diseñado para trabajar en computadoras clásicas que realizan cálculos clásicos, el avance conceptual detrás de él está inspirado en el cálculo cuántico”, dice Claudio Chamon, profesor de física de CAS.
“Al abordar el desafío del mundo real de la cálculo en los datos cifrados, también encontramos preguntas fundamentales, como cuántas formas distintas de cálculo se puede expresar para un circuito de longitud fija. Relacionamos estas preguntas con conceptos termodinámicos como ‘entropía’, que describe cuán impredecible o aleatorio un sistema se basa en cuántas formas se puede organizar”.
Cómo la entropía se aplica al cálculo es el tema del documento del equipo.
“En nuestro marco, el cálculo se representa como un circuito de elementos lógicos, o puertas, codificando operaciones elementales y que, cuando se aplica secuencialmente a los datos de entrada, implementan la computación deseada”, dice Ruckenstein, quien coautor del documento con Chamon Canetti, un profesor de CAS de Informática de Ciencias de la Computación y Eduardo R. Mucciolo, un profesor de Fisios de Chamon.
“En el documento, consideramos tanto la funcionalidad como la complejidad de los circuitos computacionales, lo que el circuito está calculando y cuán grande se necesita un circuito para implementar ese cálculo”.
El enfoque inspirado en la física del equipo trata la complejidad en la informática como una cantidad termodinámica; La termodinámica se relaciona con cómo se propagan cosas como el calor y la energía. Las reglas de la termodinámica rigen cómo, por ejemplo, el calor se difunde en su café de la mañana: a medida que se propaga el calor, las moléculas se distribuyen y desordenan más, sus patrones más complejos.
Ninguno de los cuales te impide disfrutar de tu café, pero buena suerte recuperando la historia de todas esas moléculas erráticas. Los investigadores sugieren que, en un circuito de computadora, sus puertas pueden desordenarse de manera similar para ocultar información.
El documento propone un proceso dinámico para ofuscar, o “esconderse”, cualquier circuito reorganizando las puertas, aleatorizando su estructura sin alterar su función. El objetivo no solo es revolver la información rápidamente, sino también hacerlo a fondo, lo que esencialmente destruye todos los patrones, de modo que un programa sea imposible de revertir la ingeniería. La visión del equipo es crear un entorno confiable donde tanto los datos como los programas que usan los datos permanecen ocultos.
“La ofuscación del programa es un concepto extremadamente poderoso y versátil para proteger los datos, su procesamiento y sus diversos usos en múltiples escenarios y con el tiempo”, dice Canetti.
“Sin embargo, es notoriamente difícil de construir: hasta la fecha, no tenemos un esquema de ofuscación de programas de propósito general que esté incluso cerca de ser práctico. Este emocionante proyecto tiene el potencial de hacer realidad la ofuscación del programa”.
Romper el límite a través de la investigación convergente
El proyecto tiene como objetivo convertir estos conceptos de criptografía en herramientas prácticas. Juntos, el equipo de investigación desarrollará el marco EOC en hardware escalable y de uso especial, fusionando ideas inspiradas en la física sobre información con criptografía avanzada y matemáticas puras. El objetivo es acelerar el rendimiento y hacer que la computación segura y preservadora de la privacidad sea ampliamente accesible para el uso del mundo real.
“Al combinar la experiencia de diversas áreas, podemos abordar los problemas desde múltiples ángulos a la vez, ya sea comprender el comportamiento cuántico, diseñar nuevos algoritmos o construir un mejor hardware”, dice Mucciolo. “Esta sinergia no solo acelera las cosas, sino que también nos permite sumergirnos mucho más profundamente de lo que cualquier disciplina podría solo. Estamos descubriendo conexiones que no serían visibles sin este tipo de perspectiva interdisciplinaria”.
Uno de los otros contribuyentes del equipo, Timothy Riley, profesor de matemáticas en la Universidad de Cornell, dice que la colaboración en las disciplinas es una “oportunidad rara y preciosa” que está permitiendo a los investigadores “comprender los idiomas de los demás, aprender desde las perspectivas de los demás y compartir los modelos, problemas y abstracciones que impulsan nuestro trabajo”.
Canetti, Chamon y Ruckenstein pudieron avanzar en el trabajo con el apoyo del programa de investigación centrada en la convergencia cuántica del Instituto Hariri, que facilita el pensamiento convergente y las colaboraciones multidisciplinarias en BU sobre temas cruzados en torno a la ciencia y la ingeniería cuantía. Los tres investigadores de BU están afiliados al Instituto.
“El aumento de la infraestructura digital exige una mayor seguridad para proteger nuestra economía, privacidad e intereses nacionales”, dice Yannis Paschalidis, profesor distinguido de ingeniería de la Facultad de Ingeniería de BU, director del Instituto Hariri y miembro del grupo de trabajo de la Universidad sobre Investigación y Educación Convergente.
“Resolver estos desafíos complejos requiere desglosar silos. Este trabajo muestra cómo la investigación convergente puede impulsar el impacto del mundo real y desbloquear fronteras tecnológicas completamente nuevas”.
Más información: Claudio Chamon et al, complejidad y funcionalidad del circuito: una perspectiva de termodinámica estadística, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2025). Doi: 10.1073/pnas.2415913122
Proporcionado por la Universidad de Boston
Cita: Preparación para Q-Day: El cifrado basado en física tiene como objetivo asegurar datos en la era de la computación cuántica (2025, 4 de junio) Recuperado el 4 de junio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-06-peppeping-dysicsicsicsicsicsics.html
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