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Quantum Vault: Symmetric No-Cloning Protection for Token Issuer and User (Benchmarked on IBM Quantum)

Este artículo propone y evalúa un protocolo de "Bóveda Cuántica" en procesadores IBM Quantum que asegura la autenticación de tokens al almacenar copias de los mismos en el banco emisor para eliminar la información lateral clásica, protegiendo así simétricamente tanto a los usuarios como a los emisores contra la falsificación, al tiempo que permite la verificabilidad pública, la trazabilidad y la revocabilidad con tasas de error insignificantes.

Autores originales: Lucas Tsunaki, Boris Naydenov

Publicado 2026-10-16

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CC BY 4.0

Autores originales: Lucas Tsunaki, Boris Naydenov

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://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

En el mundo de la comunicación segura, existe una regla fundamental de la naturaleza que actúa como una cerradura perfecta: no se puede hacer una copia perfecta de un estado cuántico desconocido. Este principio, conocido como el teorema de la no clonación, sugiere que si una pieza de información existe en forma cuántica, es imposible duplicarla sin destruir la original. Esta idea ha alimentado durante mucho tiempo los sueños de monedas digitales imposibles de falsificar e identificaciones inquebrantables, llamadas a menudo dinero o tokens cuánticos. El concepto es sencillo: un banco emite un token físico que contiene un estado cuántico específico y secreto. Para gastarlo, el usuario presenta el token a un comerciante, quien comprueba si el estado coincide con los registros del banco. Si el token ha sido copiado, las leyes de la física garantizan que la copia fallará la prueba. Sin embargo, durante décadas, una debilidad crítica permaneció en estos planes. El sistema dependía de que el banco guardara una lista secreta de los ajustes de los estados cuánticos en una base de datos informática clásica. Si un hacker robaba esa lista digital, simplemente podría recrear los tokens perfectamente, eludiendo por completo el bloqueo cuántico. La seguridad de todo el sistema dependía del secreto de un archivo digital, una vulnerabilidad que los recientes ciberataques globales han demostrado que es muy real.

Un equipo de investigadores del Helmholtz-Zentrum Berlin para Materiales y Energía ha propuesto una nueva forma de resolver este problema, eliminando la necesidad de esa vulnerable lista digital por completo. En lugar de almacenar los ajustes secretos en una computadora, sugieren que el banco guarde una copia física del propio token en una "bóveda cuántica" segura. Cuando el banco emite un token a un usuario, crea simultáneamente un gemelo idéntico y lo guarda en esta bóveda. Para verificar un token, el banco o un comerciante autorizado no busca un número en una base de datos. En su lugar, realizan una comparación física directa entre el token del usuario y el que se encuentra en la bó la. Si los dos son idénticos, el token es aceptado; si difieren, es rechazado. Este método asegura que incluso si un hacker roba cada pieza de datos clásicos que posee el banco, no puede falsificar un token porque carece del gemelo cuántico físico requerido para la comparación. Los investigadores probaron esta idea utilizando computadoras cuánticas reales de IBM, realizando simulaciones para ver qué tan bien se mantiene el sistema frente a un atacante decidido que intenta adivinar el estado del token.

El experimento consistió en crear tokens hechos de muchos bits cuánticos pequeños, en lugar de solo uno, para que el proceso de verificación fuera más robusto. Los investigadores simularon un escenario en el que un hacker intentaba robar información sobre un token genuino mediante la medición de este de diferentes maneras y luego utilizando esa información para construir una copia falsa. Descubrieron que, si bien un hacker podría tener éxito al adivinar el estado de un solo token con una probabilidad de éxito relativamente alta, las probabilidades de que falsificara un billete entero compuesto por muchos tokens caían drásticamente. En sus pruebas, utilizando un billete compuesto por 200 tokens, la probabilidad de una falsificación exitosa en la computadora menos potente que probaron fue de menos de una en diez mil millones. Incluso en las máquinas más avanzadas disponibles para ellos, la posibilidad de que un billete falso se filtrara era ínfima, mientras que los billetes genuinos eran aceptados con casi total certeza. Esto demuestra que, al eliminar el secreto clásico y confiar en una comparación física, el sistema se vuelve seguro contra el tipo más común de robo digital.

El estudio también destacó cómo la calidad del hardware afecta la seguridad. Los investigadores ejecutaron el mismo protocolo en tres procesadores cuánticos diferentes, cada uno con niveles ligeramente distintos de precisión y tasas de error. Encontraron que, incluso en la máquina con las tasas de error más altas, el sistema seguía siendo increíblemente seguro, aunque el margen de seguridad era más estrecho que en las mejores máquinas. Esto sugiere que, a medida que el hardware cuántico continúe mejorando, la seguridad de tal sistema se fortalecerá aún más. Los investigadores señalaron que este enfoque cambia la naturaleza del token de una pieza de efectivo anónima a una tarjeta de identidad rastreable, similar a una tarjeta de crédito. Debido a que el banco posee la copia de la bóveda, pueden rastrear quién posee qué token y revocar el acceso si es necesario, añadiendo una capa de gobernanza que el efectivo anónimo no puede ofrecer.

Quizás el aspecto más significativo de este trabajo es que traslada la seguridad del sistema del ámbito digital al ámbito físico. En las propuestas anteriores, la seguridad dependía de la suposición de que la base de datos de la computadora del banco era impenetrable. En este nuevo modelo, la seguridad depende de las leyes de la física y de la presencia física de la copia de la bóveda. Los investigadores demostraron que este método funciona incluso cuando el proceso de verificación está abierto a partes no confiables, como un vendedor que no conoce personalmente al usuario. El vendedor simplemente necesita acceso a la interfaz de la bóveda del banco para realizar la comparación, sin necesidad de conocer nunca los ajustes secretos del token. Esto abre la puerta a un sistema de verificación pública donde cualquiera puede comprobar la validez de un token, siempre que tenga un enlace con la bóveda segura del banco.

Los investigadores reconocen que la construcción de una versión del mundo real de este sistema enfrenta obstáculos significativos, principalmente la dificultad de almacenar estados cuánticos durante períodos prolongados sin que se desvanezcan. Las memorias cuánticas actuales son frágiles y a menudo requieren condiciones de frío extremo o vacío, lo que las hace difíciles de transportar como una billetera. Sin embargo, el estudio sirve como una prueba de concepto crucial, demostrando que el marco teórico es sólido y que las métricas de seguridad son alcanzables con la tecnología existente. Al evaluar el protocolo en hardware real, el equipo proporcionó datos concretos sobre cuántos tokens se necesitan para garantizar la seguridad y cómo se comporta el sistema bajo el ruido y los errores del mundo real. Su trabajo sugiere que, si bien la tecnología para llevar una bóveda cuántica en el bolsillo aún no está aquí, el camino para crear identidades digitales inalterables, rastreables y seguras se vuelve más claro, basándose no en contraseñas secretas, sino en las reglas inquebrantables del mundo cuántico.

Resumen Técnico: Bóveda Cuántica: Protección de No-Clonación Simétrica para el Emisor de Tokens y el Usuario

Planteamiento del Problema
Las propuestas actuales para tokens cuánticos, dinero cuántico e identificación de identidad dependen del teorema de no-clonación para prevenir la falsificación. En las arquitecturas estándar, un agente emisor (por ejemplo, un banco) prepara un estado cuántico $|\psi\rangle$ definido por parámetros clásicos $(\theta, \phi)$ , transmite el estado al usuario y almacena la descripción clásica $(\theta, \phi)$ para su posterior verificación. Si bien el teorema de no-clonación protege el token del usuario contra la copia, esta arquitectura contiene una vulnerabilidad crítica: si un atacante roba la información lateral clásica $(\theta, \phi)$ del agente emisor, puede generar tokens falsos perfectos sin violar el teorema de no-clonación. El verificador, al comparar el token falso contra los datos clásicos robados, lo aceptaría, ignorando la brecha de seguridad. Este ataque de "estimación y falsificación" sobre la base de datos del emisor sigue siendo una amenaza significativa y, a menudo, pasada por alto para las propuestas de dinero y redes cuánticas.

Metodología
Para abordar esta vulnerabilidad, los autores proponen el protocolo Bóveda Cuántica (Quantum Vault), el cual elimina la necesidad de que el emisor almacene descripciones clásicas de los estados de los tokens. La metodología consiste en tres pasos principales:

Generación de Tokens Simétricos: En lugar de almacenar datos clásicos, el banco prepara dos tokens idénticos en el mismo estado Haar-aleatorio $|\psi\rangle^{\otimes N}$ , donde $N$ es el número de qubits independientes no entrelazados en un conjunto. Un token se entrega al usuario y el otro se retiene en la "bóveda" del banco. Crucialmente, toda la información clásica relativa a los ángulos $(\theta, \phi)$ se descarta inmediatamente.
Autenticación mediante Prueba SWAP: La autenticación se realiza comparando el token del usuario contra la copia de la bóveda utilizando una prueba SWAP (SWAP test). Este circuito involucra un qubit auxiliar, puertas Hadamard y operaciones de intercambio controlado-SWAP entre los qubits de los dos tokens. El resultado de la medición del qubit auxiliar arroja un valor $c_n \in \{0, 1\}$ $c_{n} \in {0, 1}$ . El promedio de estos resultados sobre $N$ $N$ qubits, $\bar{c}$ $\overset{c}{ˉ}$ , sirve como el observable para la verificación.
- Si los estados son idénticos, $\bar{c} \approx 0$ .
- Si los estados difieren, $\bar{c} > 0$ .
Evaluación Comparativa Independiente del Hardware: El protocolo fue implementado y evaluado en tres procesadores cuánticos de IBM (Kingston, Fez y Marrakesh) utilizando el SDK de Qiskit. El estudio utilizó una aproximación ergódica, promediando en el tiempo disparos de circuitos secuenciales independientes para simular un conjunto de $N$ qubits.
Modelado de Seguridad: Los autores modelaron un ataque de "estimación y falsificación" donde un atacante intenta reconstruir el estado del token $|\psi\rangle$ realizando pruebas SWAP en el token del usuario a lo largo de los ejes $x, y, z$ . El atacante utiliza la Estimación de Máxima Verosimilitud (MLE) para reconstruir el estado y luego intenta falsificar un token para la autenticación.

Contribuciones Clave

Protección Simétrica: El protocolo proporciona protección simétrica tanto para el usuario como para el banco. Ninguna de las partes posee el secreto clásico; la seguridad depende enteramente del teorema de no-clonación cuántica y de la presencia física de la copia en la bóveda.
Verificabilidad Mediada por el Banco: Al eliminar los secretos clásicos, el banco puede otorgar acceso a la interfaz de autenticación a terceros no confiables (por ejemplo, vendedores). Estas partes pueden verificar la validez del token contra la copia de la bóveda sin poder clonar el token ni conocer su estado. Sin embargo, el esquema es intrínsecamente no anónimo, ya que el banco debe conocer al propietario del token para realizar la comparación, manteniendo una arquitectura centralizada en lugar de un sistema de clave pública real.
Trazabilidad y Revocabilidad: A diferencia de los esquemas de dinero cuántico anónimos, la Bóveda Cuántica es no anónima. Dado que el banco retiene la copia de la bóveda, puede rastrear la propiedad del token y revocarlo si es necesario.
Cuantificación de la Seguridad: El artículo cuantifica la seguridad del protocolo comparando la probabilidad de aceptar tokens genuinos ( $p_b$ ) frente a tokens falsificados ( $p_f$ ) a través de diferentes plataformas de hardware.

Resultos
El estudio evaluó el protocolo utilizando conjuntos de $N=90$ qubits (elegidos para equilibrar el ruido de disparo y los efectos de discretización) y billetes cuánticos compuestos por $M=200$ tokens.

Parámetros de Calidad: El rendimiento del hardware se caracterizó mediante los parámetros de calidad $Q_a$ (amplitud de oscilación/contraste) y $Q_o$ (desplazamiento o offset). El procesador Kingston demostró el mejor rendimiento ( $Q_a \approx 0.892$ ), seguido de Fez y Marrakesh.
Falsos Negativos (Error Tipo 1): El umbral de aceptación $c^*$ se calibró de tal manera que los tokens genuinos se aceptan con una probabilidad $p_b \geq 0.99$ .
Falsos Positivos (Error Tipo 2): Para un solo token, la probabilidad de que un token falsificado sea aceptado ( $p_f$ $p_{f}$ ) osciló entre aproximadamente 0.66 y 0.75 dependiendo del hardware. Sin embargo, para un billete cuántico con $M=200$ $M = 200$ tokens, la probabilidad de una falsificación exitosa ( $P_f$ $P_{f}$ ) decae exponencialmente.
- Incluso en el hardware con peor desempeño (Marrakesh) con estimaciones de incertidumbre conservadoras, se encontró que la probabilidad de un ataque exitoso sobre un billete de 200 tokens era $P_f < 10^{-10}$ .
- En el mejor hardware (Kingston), el intervalo de confianza de $1\sigma$ para $P_f$ oscila entre $10^{-33}$ y $10^{-21}$ , con el límite superior de la incertidumbre alcanzando $10^{-21}$ .
Compromisos (Trade-offs): Los autores señalan que la eliminación de la información lateral clásica reduce la eficiencia de autenticación de los tokens genuinos en comparación con los protocolos que retienen datos clásicos. Consecuentemente, se requiere un mayor número de tokens por billete ( $M$ ) para alcanzar el mismo nivel de seguridad contra la falsificación.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la Bóveda Cuántica representa un paso crucial hacia arquitecturas prácticas de dinero y redes cuánticas al asegurar al agente emisor, no solo al usuario. Al demostrar que el protocolo puede lograr probabilidades de falsificación extremadamente bajas ( $<10^{-10}$ ) en el hardware actual de Escala Intermedia con Ruido (NISQ), los autores argumentan que el esquema es viable para aplicaciones futuras.

La significancia radica en el cambio de arquitecturas de clave privada (donde solo el banco puede verificar) a un modelo donde la verificabilidad pública es posible sin comprometer la seguridad, aunque a través de una interfaz mediada por el banco en lugar de un sistema de clave pública totalmente descentralizado. Los autores enfatizan que, si bien el protocolo no es una prueba matemática de seguridad completa contra todos los ataques posibles (se señalan como limitaciones los ataques de sustitución o de canal lateral), la evaluación comparativa agnóstica al hardware en los procesadores cuánticos de IBM proporciona un límite superior práctico de rendimiento. Los resultados sugieren que, con la evolución continua del hardware y la optimización de las comparaciones de conjuntos, la Bóveda Cuántica ofrece un marco robusto, trazable y revocable para la identidad cuántica y la transferencia de valor.

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