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Quantum Cryptanalysis on IBM Quantum Hardware: Extending Even--Mansour Period Recovery from $N=4$ to $N=10$

Este artículo presenta una demostración genuina y no compilada en hardware cuántico real de IBM sobre criptoanálisis cuántico fiel al libro de texto utilizando el algoritmo de Simon para recuperar periodos ocultos para estructuras de cifrado Even-Mansour y Feistel hasta tamaños récord (N=10), al tiempo que proporciona una evaluación comparativa exhaustiva de cinco ataques a través de cuatro paradigmas de cifrado simétrico con advertencias explícitas con respecto a su alcance, la dependencia de la mitigación de errores y la falta de amenaza para el cifrado moderno a gran escala.

Autores originales: Taebong Kim, Youngsik Hong, Minsik Kim, Sunyoung Choi, Jaewon Jang, Junghoon Shin, Minseo Kim

Publicado 2026-07-22

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CC BY 4.0

Autores originales: Taebong Kim, Youngsik Hong, Minsik Kim, Sunyoung Choi, Jaewon Jang, Junghoon Shin, Minseo Kim

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina un mundo donde los códigos secretos no están simplemente encerrados en una bóveda, sino ocultos dentro de un laberinto por el que solo un fantasma puede caminar. Este es el reino de la criptoanálisis cuántica, una rama de la ciencia donde los investigadores utilizan las extrañas y misteriosas reglas de la física cuántica para probar qué tan fuertes son realmente nuestros cerrojos digitales. Para entender esto, necesitas saber tres cosas simples. Primero, los "cifrados simétricos" son como una única llave que cierra y abre un cofre del tesoro; si tienes la llave, puedes abrirlo, pero si no la tienes, te quedas atrapado. Segundo, las "computadoras cuánticas" son máquinas especiales que pueden probar muchos caminos en un laberinto al mismo tiempo, a diferencia de las computadoras normales que deben probar un camino, luego otro, luego otro. Finalmente, hay un truco famoso llamado "algoritmo de Simon", que es como un detective superinteligente que puede encontrar un patrón oculto en un caos desordenado mucho más rápido que un detective regular, pero solo si el desorden tiene una estructura repetitiva muy específica.

¿Por qué le importa a alguien? Porque si una computadora cuántica puede encontrar estos patrones fácilmente, las llaves secretas que protegen nuestras cuentas bancarias, mensajes y secretos nacionales podrían ser descifradas. Pero aquí está el truco: construir una computadora cuántica lo suficientemente grande y silenciosa como para hacer esto es increíblemente difícil. Actualmente son muy ruidosas, como intentar escuchar un susurro en un concierto de rock. Este artículo trata sobre un equipo de investigadores que intentó enseñar a una computadora cuántica real y ruidosa a encontrar estos patrones ocultos en códigos secretos, llevando al límite lo que es posible actualmente en el mundo real.

El artículo: Un detective cuántico en un escenario ruidoso

Los investigadores, trabajando con una computadora cuántica real fabricada por IBM (específicamente el chip "ibm_kingston"), decidieron jugar al juego de "encontrar el patrón oculto". Se centraron en un tipo específico de estructura de código secreto llamado cifrado Even-Mansour. Imagina este cifrado como una máquina que toma un número secreto (la clave) y desordena un mensaje. El objetivo del ataque es encontrar el "periodo": un ritmo repetitivo oculto en cómo la máquina desordena los datos. Si encuentras el ritmo, puedes averiguar la clave secreta.

En el pasado, los científicos solo habían logrado hacer esto en hardware real para versiones de código muy pequeñas y simples (donde el número secreto tenía solo 4 bits de longitud). Este equipo quería ver qué tan lejos podían presionar a la máquina real. Lograron encontrar con éxito el ritmo oculto para una versión donde el número secreto tenía 10 bits de longitud. Eso puede no parecer mucho para ti, pero en el mundo del hardware cuántico, saltar de 4 a 10 es un salto masivo. Es como pasar de mantener el equilibrio sobre un pie a correr un maratón sobre una cuerda floja.

No se detuvieron ahí. También probaron sus habilidades de detective en otros tipos de estructuras de código:

El Feistel de 3 rondas: Una estructura utilizada en códigos antiguos (como el famoso DES). Encontraron con éxito el ritmo oculto para tamaños de bloque de 6 y 8.
Bernstein-Vazirani: Un rompecabezas lineal más simple. Encontraron un secreto de 16 bits en tan solo una sola pregunta (consulta), que es exactamente lo que la matemática prometía.
Búsqueda de Grover: Probaron un método para buscar claves no estructuradas, demostrando que la computadora cuántica podía encontrar una clave en aproximadamente 13 pasos, cuando una computadora normal necesitaría 256 pasos.

La prueba de realidad: ¿Qué tan bueno fue?

Esta es la parte más importante de la historia, y la parte en la que los autores son muy, muy honestos. Aunque encontraron los patrones, no rompieron el código de una manera que les permitiera robar tu cuenta bancaria hoy.

Para los rompecabezas más grandes (donde el secreto era de 6 bits o más), la computadora cuántica se volvió un poco "ruidosa" y confundida. No señaló la única respuesta correcta inmediatamente. En su lugar, dio una lista de los principales candidatos. Los investigadores luego usaron una computadora regular para verificar los principales 16, 32, 64 o 128 candidatos de la lista cuántica. La verdadera clave secreta se encontraba usualmente muy arriba en esa lista (a menudo dentro de los primeros 63 candidatos), lo cual es mucho mejor que adivinar al azar.

Los autores son muy claros: esto no es todavía una "ventaja cuántica".

No es una solución mágica: No rompieron las versiones completas y reales de códigos famosos como AES o RSA. Solo rompieron versiones reducidas y simplificadas de las estructuras.
No es supervelocidad: Para los rompecabezas más grandes, la computadora cuántica no resolvió todo por sí sola. Redujo la lista de sospechosos, pero una computadora regular todavía tuvo que hacer el trabajo final. La aceleración que vieron fue en el número de preguntas realizadas, no en el tiempo total que tomó descifrar el código.
Ruido frente a perfección: Utilizaron "mitigación de errores" (una forma elegante de decir que limpiaron los datos ruidosos) en lugar de "corrección de errores" (que arreglaría los errores perfectamente). Esto significa que sus resultados son impresionantes para la tecnología actual, pero no son la solución final y perfecta.

El panorama general

El equipo también realizó una simulación masiva en una supercomputadora para ver hasta dónde podría llegar esto si tuvieran máquinas perfectas y libres de ruido. Encontraron que, aunque una computadora cuántica podría teóricamente manejar estos rompecabezas fácilmente, una computadora normal se quedaría sin memoria intentando simular una computadora cuántica con solo 25 qubits (las unidades básicas de información cuántica). Un rompecabezas ligeramente más grande requeriría 4.5 petabytes de memoria, ¡más de lo que la mayoría de los centros de datos tienen!

Entonces, ¿cuál es la conclusión? Este artículo es un "récord mundial" de qué tan grande es la estructura de un código secreto que una computadora cuántica real y ruidosa ha analizado con éxito. Demuestra que la matemática funciona en el hardware real, incluso si el hardware es todavía un poco inestable. Es una prueba de concepto que dice: "Podemos hacer esto, pero necesitamos máquinas mejores y más silenciosas antes de que podamos realmente romper los secretos del mundo real". Los autores han hecho público su código y sus datos para que cualquiera pueda verificar su trabajo, asegurando que esto no es solo una afirmación, sino un paso reproducible hacia adelante en la carrera entre las computadoras cuánticas y los códigos secretos.

Resumen Técnico: Criptoanálisis Cuántico en Hardware IBM Quantum

Declaración del Problema

La investigación teórica ha establecido largamente que ciertas estructuras de cifrado simétrico, como el cifrado Even–Mansour y las redes Feistel de 3 rondas, pueden reducirse a problemas de periodo oculto resolubles mediante el algoritmo de Simon. Sin embargo, existe una brecha significativa entre estas reducciones teóricas y la ejecución práctica en dispositivos cuánticos de escala intermedia con ruido (NISQ). Antes de este trabajo, las demostraciones de recuperación de claves en hardware real se limitaban a parámetros de seguridad muy pequeños (específicamente $N=4$ ) debido al ruido del dispositivo y a la falta de corrección de errores tolerante a fallos. El desafío radica en extender estos ataques a tamaños de estructura más grandes ( $N > 4$ ) en hardware real manteniendo una integridad algorítmica "genuina", lo que significa que los circuitos deben implementar los mapas con clave reales sin recurrir a atajos de transpilación que trivialicen la búsqueda.

Metodología

Los autores ejecutaron un criptoanálisis cuántico "genuino, no compilado y fiel al modelo teórico" en el procesador IBM ibm_kingston (generación Heron) utilizando el framework Qiskit. La metodología se caracteriza por los siguientes componentes:

Alcance Algorítmico: El estudio se dirige a cuatro paradigmas de diseño de cifrado simétrico:
1. Estructura Lineal: Algoritmo de Bernstein–Vazirani (consulta única).
2. Búsqueda No Estructurada: Algoritmo de Grover aplicado a una búsqueda de clave SPN (Red de Sustitución-Permutación) reducida.
3. Problemas de Periodo Oculto: Algoritmo de Simon aplicado a:
  - Cifrado Even–Mansour.
  - Forja de CBC-MAC.
  - Construcción de Feistel de 3 rondas (familia DES).
Estrategia de Ejecución:
- Hardware Real: Los experimentos utilizaron un stack completo de mitigación de errores de lectura (incluyendo calibración, desacoplamiento dinámico y twirling) en lugar de corrección de errores tolerante a fallos.
- Enfoque Híbrido para $N > 5$ : Para instancias de Even–Mansour donde el ruido impedía una recuperación limpia de "rango-1", los autores emplearon un híbrido de estrechamiento cuántico + verificación clásica. El circuito cuántico generaba una lista corta de candidatos principales (por ejemplo, los 16 o 128 mejores) que luego eran verificados clásicamente.
- Validación: Todos los resultados de hardware fueron validados cruzadamente contra claves de control independientes para asegurar que los periodos recuperados no fueran artefactos de selecciones de clave específicas.
- Simulación: Se realizó un benchmark de búsqueda en anchura utilizando simulación de estado vectorial genuina (en hardware NVIDIA B200) hasta el límite de memoria clásica de 25 qubits para validar los circuitos no compilados.

Resultados Clave

1. Extensión de la Frontera de Hardware Real

El artículo reporta la recuperación del periodo oculto de Even–Mans alto hasta un parámetro de seguridad $N = 10$ en hardware real.

$N = 5$ : Se logró una recuperación limpia de rango-1 (Simon diferencial) donde la clave real era el candidato principal.
$N = 6$ a $N = 10$ : Se logró mediante el enfoque híbrido. Aunque la clave real no siempre fue el único resultado superior debido al ruido, su rango siguió la cota de cumpleaños (birthday bound) ( $2^{n/2}$ ), manteniéndose órdenes de magnitud por debajo de la expectativa aleatoria ( $2^{n-1}$ ).
Comparación: Esto supera el tamaño más grande reportado previamente en hardware real de $N = 4$ .

2. Recuperación de Feistel y Estructura Lineal

Feistel de 3 Rondas: Recuperó limpiamente el periodo para tamaños de bloque 6 y 8 (rango-1, exacto) en hardware real. Una instancia de bloque-10 de 21 qubits fue verificada en simulación y enviada al hardware.
Bernstein–Vazirani: Extrajo exitosamente un secreto lineal de 16 bits en una sola consulta en hardware real.

3. Separación de Complejidad

El estudio demuestra la separación teórica de complejidad de consultas:

Ataques basados en Simon: Complejidad de consulta clásica exponencial ( $2^{n/2}$ ) frente a consultas cuánticas polinómicas ( $\Theta(n)$ ).
Ataques basados en Grover: Aceleración cuadrática (por ejemplo, recuperar una clave de 8 bits en $\approx 13$ iteraciones frente a 256 evaluaciones clásicas).

Significado y Reivindicaciones

Los autores enmarcan explícitamente sus contribuciones con un enfoque en la honestidad y la reproducibilidad, evitando la exageración de la "ventaja cuántica".

Demostración en Hardware Real: La principal contribución es la demostración de criptoanálisis cuántico genuino en hardware real con tamaños de estructura récord ( $N=10$ para Even–Mansour), cerrando la brecha entre las reducciones teóricas y la ejecución física.
Amplitud de Cobertura: El trabajo proporciona un benchmark exhaustivo a través de cuatro distintos paradigmas criptográficos (Lineal, No Estructurado, Periodo Oculto) y cinco ataques específicos, todos validados hasta el límite de la simulación clásica.
Sin Ventaja Cuántica de Extremo a Extremo: El artículo establece explícitamente que estos ataques no constituyen una ventaja cuántica sobre los métodos clásicos en términos de coste total. Los ataques siguen asintóticamente la cota de cumpleaños, lo que significa que el hallazgo de colisiones clásicas logra un escalamiento comparable. La separación es estrictamente en la complejidad de consultas para el distinguidor, no en el coste computacional total.
Limitaciones del Alcance:
- Los ataques se dirigen a construcciones reducidas o estructuradas (Even–Mansour, Feistel de 3 rondas, SPN reducido), no a AES completo, RSA o DES de 16 rondas.
- Los resultados dependen de la mitigación de errores, no de la corrección de errores tolerante a fallos.
- Se asume el modelo de oráculo Q2 (consulta cuántica), aunque los autores reconocen sus limitaciones prácticas y señalan que las reducciones de Simon offline pueden relajar algunas suposiciones hacia Q1.

En resumen, este trabajo sirve como un benchmark riguroso y reproducible de algoritmos cuánticos genuinos en hardware NISQ, demostando que, si bien los dispositivos actuales no pueden romper cifrados modernos de escala completa, pueden ejecutar con éxito reducciones criptoanalíticas complejas sobre primitivas estructuradas en tamaños previamente inalcanzables en hardware real.