Tecnologías

En CTIC Quantum Lab trabajamos para llevar los algoritmos cuánticos más allá de la teoría y explorar su aplicación en problemas reales. Para ello, nos centramos en dos líneas principales:

Quantum Machine Learning (QML)

Exploramos la combinación de computación cuántica e inteligencia artificial, investigando cómo propiedades como la superposición y el entrelazamiento en los modelos cuánticos pueden complementar o potenciar el alcance de la IA tradicional. Actualmente abordamos las siguientes aplicaciones:

• Visión Artificial: clasificación de imágenes y reconocimiento de patrones complejos, con aplicaciones en diagnóstico, control de calidad o análisis de datos científicos.
• Procesamiento de lenguaje natural (NLP): nuevas formas de representar información lingüística para mejorar la comprensión del contexto y la ambigüedad en grandes volúmenes de texto.
• Detección de anomalías y ciberseguridad: identificación de patrones irregulares y amenazas sutiles en flujos de datos masivos, reduciendo drásticamente los falsos positivos y fortaleciendo la seguridad en transacciones en infraestructuras críticas.
• Predicción de series temporales: mejora de la precisión en modelos para anticipar evolución de variables como demanda energética, mercados o fenómenos naturales.
• IA generativa: exploración de modelos generativos cuánticos (como QGANs) para el diseño de materiales, simulación molecular o generación de datos sintéticos.

Optimización cuántica

Investigamos algoritmos orientados a problemas complejos de optimización, donde el número de variables hace difícil su resolución con métodos clásicos. Algunos casos de aplicación son:

• Logística y cadena de Suministro: resolución del "problema del viajante" a gran escala para optimizar rutas de reparto de última milla, gestión de flotas y ubicación estratégica de almacenes, reduciendo costes y huella de carbono.
• Energía: gestión eficiente de redes eléctricas, optimizando la distribución, el almacenamiento y la integración de renovables para la estabilidad del suministro.
• Industria: planificación de producción, asignando recursos y maquinaria de la manera más eficiente para minimizar tiempos de inactividad y cuellos de botella.

La computación cuántica supondrá un cambio importante en la forma en que protegemos la información. Muchos de los sistemas criptográficos actuales dejarán de ser seguros cuando existan ordenadores cuánticos suficientemente avanzados.

La Criptografía Post-Cuántica (PQC) aborda este reto mediante nuevos algoritmos diseñados para resistir este tipo de ataques. En CTIC Quantum Lab ayudamos a las organizaciones a anticipar este cambio, evaluando su situación actual y definiendo estrategias de transición seguras y progresivas. Nuestro enfoque se basa en la cripto-agilidad, que permite adaptar la protección de datos e identidad digital sin interrumpir la operativa.

Evaluación de la seguridad actual

Analizamos el impacto de la computación cuántica sobre los sistemas criptográficos existentes:

• Criptografía de clave pública (RSA, ECC): basada en problemas matemáticos difíciles para la computación clásica, pero vulnerables a futuro frente a algoritmos cuánticos como Shor, que permitirían resolverlos de forma eficiente.
• Criptografía simétrica y funciones hash (AES, SHA): más resistentes frente a ataques cuánticos. Algoritmos como Grover reducen su seguridad, pero este impacto puede mitigarse aumentando el tamaño de las claves.

Transición a nuevos estándares

Trabajamos con los nuevos estándares internacionales, especialmente los definidos por el NIST, que marcarán la evolución de la criptografía en los próximos años:

• ML-KEM (Kyber): basado en retículos. Es el estándar principal para el intercambio de claves por su alta velocidad y eficiencia.
• ML-DSA (Dilithium): basado en retículos. El algoritmo de firma digital recomendado por su equilibrio y rendimiento.
• SLH-DSA (Sphincs+): basado en funciones hash. Utilizado en firmas digitales y ofrece una robustez excepcional al no depender de problemas de retículos.
• FN-DSA (Falcon): basado en retículos. Especialmente eficiente para firmas que requieren un tamaño muy reducido.
• Classic McEliece: basado en códigos de corrección de errores. Un esquema veterano con una solidez probada durante décadas para el intercambio de claves y cifrado.
   

La distribución cuántica de claves (QKD) es una tecnología que permite intercambiar claves criptográficas utilizando principios de la mecánica cuántica. A diferencia de otros enfoques, permite detectar cualquier intento de interceptación durante la transmisión, lo que la hace especialmente relevante para comunicaciones de alta seguridad.

En CTIC Quantum Lab trabajamos en el diseño y evaluación de arquitecturas de comunicaciones que integran esta tecnología en entornos reales.

Fundamentos de seguridad

La QKD utiliza estados cuánticos de la luz (fotones) para transmitir claves criptográficas. Cualquier intento de interceptación altera esos estados de forma inevitable, y esta alteración puede ser detectada por los sistemas de comunicación. Esto permite que solo se utilicen aquellas claves que han sido transmitidas de forma segura.

Integración en redes de comunicación

En CTIC Quantum Lab nos centramos en los retos prácticos de incorporar QKD en las infraestructuras de comunicación existentes:

• Sistemas de gestión de claves: investigamos la integración de dispositivos QKD con plataformas que permitan distribuir y usar estas claves cuánticas en sistemas de cifrado convencionales.
• Arquitecturas de red: diseñamos y evaluamos escenarios de despliegue, desde enlaces directos punto a punto hasta redes que conectan múltiples entidades.

Desarrollamos y mantenemos QUTE, una plataforma que permite ejecutar algoritmos cuánticos en entornos de supercomputación, facilitando la experimentación, validación y formación sin necesidad de hardware cuántico.

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