En el AIR Institute, estamos desarrollando Quantum Shield, un proyecto centrado en la seguridad post-cuántica y el aprendizaje automático cuántico para la ciberseguridad en entornos de fabricación inteligente dentro del marco de la Industria 4.0. Esta iniciativa está alineada con la estrategia RIS3 de Castilla y León, y cuenta con financiación del Instituto para la Competitividad Empresarial de la Junta de Castilla y León (ICE) y del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).
Uno de los objetivos del proyecto es analizar los desafíos y oportunidades que la computación cuántica puede presentar para la ciberseguridad en sistemas de producción inteligente dentro del sector industrial. También se busca aumentar la eficiencia y seguridad de los procesos industriales que involucran sistemas de producción inteligentes, con el fin de garantizar la sostenibilidad a largo plazo del modelo de Industria 4.0.
Algoritmo de factorización cuántica de Regev
Dentro de Quantum Shield, se ha implementado con éxito el algoritmo de factorización cuántica de Regev, pasando de su marco teórico a una implementación funcional en computación cuántica. Una de las principales ventajas del algoritmo de Regev sobre el de Shor radica en su menor complejidad en cuanto a puertas cuánticas. Mientras que el algoritmo de Shor requiere O(n²) puertas cuánticas—donde n es la longitud en bits del número a factorizar—, el enfoque de Regev reduce esta complejidad a O(n3/2). Esta reducción en la complejidad significa que el algoritmo de Regev es menos susceptible al ruido y a la decoherencia, fenómenos típicos en los sistemas cuánticos, especialmente al trabajar con números grandes. Aunque aún no supera a Shor para enteros pequeños—donde este último sigue siendo más rápido debido a su circuito más simple—, se espera que Regev resulte más eficiente conforme aumenta el tamaño del número.
Para números muy grandes, la menor complejidad en puertas cuánticas del algoritmo de Regev lo convierte en una opción más viable, particularmente en términos de mantenimiento de la coherencia cuántica. No obstante, el paso de post-procesamiento clásico—en especial la reducción de retículos utilizando algoritmos como LLL—sigue siendo intensivo computacionalmente y representa un cuello de botella para la eficiencia general del algoritmo. A pesar de ello, nuestra implementación busca demostrar si el algoritmo de Regev, cuando está completamente optimizado, ofrece una ventaja significativa en eficiencia frente al de Shor para números grandes.
El principal reto de nuestro proyecto ha sido trasladar la compleja descripción teórica del algoritmo de Regev a una implementación efectiva en una plataforma cuántica. El proceso comenzó con el diseño de un circuito cuántico siguiendo el enfoque de Regev. Se inició la inicialización de los registros cuánticos mediante el algoritmo de Grover-Rudolph. Posteriormente, se aplicaron puertas de exponenciación modular, seguidas de una Transformada de Fourier Cuántica (QFT) para extraer el período de la función modular, lo cual es esencial para la factorización del entero.
En este sentido, nuestro proyecto representa un paso clave en la demostración de la viabilidad del algoritmo cuántico de Regev. Al pasar con éxito de la teoría a la práctica, hemos mostrado una alternativa prometedora al algoritmo de Shor, una que aprovecha una menor complejidad de puertas para lograr una computación cuántica más eficiente. A medida que el hardware cuántico continúe mejorando, es probable que la eficiencia y viabilidad del algoritmo de Regev superen a las del de Shor para enteros de gran tamaño, convirtiéndolo en un área de investigación y desarrollo de gran relevancia futura en el ámbito de la ciberseguridad.