Encriptación de imágenes segura frente a la computación cuántica usando QTRNG y QPRNG híbridos

Por qué ocultar imágenes se está volviendo más difícil

Fotos y vídeos viajan hoy continuamente entre teléfonos, hospitales, satélites y servidores en la nube. Los métodos de cifrado actuales mantienen esas imágenes seguras, siempre que los atacantes dispongan solo de ordenadores clásicos. A medida que surgen ordenadores cuánticos potentes, muchos de nuestros candados actuales podrían ser vulnerados. Esta investigación explora cómo usar la propia física cuántica para construir nuevos tipos de «claves» que puedan proteger imágenes incluso frente a futuros ataques cuánticos.

Convertir imágenes a forma cuántica

Para aplicar trucos cuánticos a las imágenes, los autores convierten primero una imagen en escala de grises ordinaria a un formato que el hardware cuántico pueda entender. En lugar de almacenar cada píxel como un número en un archivo, la imagen se recodifica de modo que el brillo y la posición de cada píxel residan en una colección de qubits. Este esquema, llamado NEQR, permite que un circuito cuántico contenga todos los valores de los píxeles a la vez en una gran superposición. Eso hace posible procesar la imagen completa en paralelo, usando un número relativamente pequeño de qubits, y recuperar más tarde una imagen normal al medirlos.

Dos tipos de aleatoriedad cuántica

Un buen cifrado vive o muere por la calidad de su aleatoriedad. El artículo estudia dos maneras cuánticas de producir bits aleatorios. La primera es la Generación Cuántica de Números Verdaderamente Aleatorios (QTRNG). Aquí, los qubits se ponen en una superposición perfecta 50–50 y luego se entrelazan de modo que sus resultados quedan profundamente ligados de maneras que ningún sistema clásico puede imitar. Cuando se miden esos qubits, la cadena de ceros y unos es fundamentalmente impredecible, arraigada en la incertidumbre intrínseca de la mecánica cuántica. El segundo método, Generación Cuántica de Números Pseudoaleatorios (QPRNG), utiliza secuencias fijas de puertas cuánticas para producir patrones de bits complejos y aparentemente aleatorios que pueden reproducirse exactamente si se repite el mismo circuito.

Mezclar impredecibilidad y control

El corazón del trabajo es un generador híbrido, QHRNG, que casa estos dos enfoques. Primero, se genera una semilla realmente aleatoria con el circuito QTRNG. Esa semilla se carga luego en un segundo circuito cuántico compuesto por puertas de Clifford que distribuyen, tuercen y entrelazan la información a lo largo de muchos qubits. El resultado es un flujo largo de bits que hereda la profunda impredecibilidad de la semilla cuántica verdadera, pero también la eficiencia y escalabilidad del circuito pseudoaleatorio. Amplias comprobaciones estadísticas, incluidos los ensayos NIST estándar de aleatoriedad y pruebas de entropía, muestran que esta fuente híbrida supera más pruebas, con márgenes mayores, que los generadores cuánticos solo verdaderos o solo pseudoaleatorios.

Confundir imágenes con claves cuánticas

Una vez lista la clave híbrida, esta alimenta un cifrador de imágenes cuántico. La imagen original se divide en pequeños bloques, se convierte al formato cuántico NEQR y luego se combina con los bits de la clave usando equivalentes cuánticos de operaciones familiares como XOR. Pasos cuánticos adicionales barajan bits dentro de cada píxel e intercambian posiciones de qubits, de modo que cambios pequeños se propaguen rápidamente por toda la imagen. Una Transformada de Fourier Cuántica selectiva difumina además la información de los píxeles en patrones ondulatorios que son extremadamente difíciles de revertir sin la secuencia exacta de puertas y la clave. Finalmente, la medición de los qubits produce una imagen cifrada que parece puro ruido; el descifrado ejecuta todos los pasos en sentido inverso, usando la misma clave híbrida, para recuperar la imagen original.

Poner la seguridad cuántica a prueba

Los autores no se quedan en la teoría: ejecutan sus generadores aleatorios y su cifrador de imágenes tanto en simuladores ideales como en un chip cuántico superconducting real de IBM. Después examinan las corrientes de clave resultantes y las imágenes cifradas con una batería de pruebas usadas en la criptografía moderna. Medidas como cuánto cambia una imagen cifrada cuando se invierte un solo píxel de entrada o un bit de la clave, cuán homogéneamente se distribuyen los valores de los píxeles y cómo resiste la aleatoriedad a las comprobaciones formales NIST apuntan en la misma dirección. El esquema híbrido basado en QHRNG muestra de forma consistente mayor entropía, mayor resistencia frente a varios modelos de ataque y mejor comportamiento bajo ruido que métodos anteriores de cifrado de imágenes, ya sean cuánticos o clásicos.

Qué implica esto para los datos cotidianos

Para no especialistas, el mensaje clave es que los mismos efectos cuánticos que amenazan el cifrado actual pueden también convertirse en defensas poderosas. Al combinar una pequeña dosis de azar cuántico irreducible con un circuito cuántico estructurado, los autores diseñan claves que son extremadamente difíciles de adivinar y, a la vez, prácticas de generar en hardware de corto a medio plazo. Su cifrador de imágenes cuántico demuestra que tales claves pueden proteger datos visuales incluso si los espías acceden a ordenadores cuánticos futuros o a canales de comunicación ruidosos. Aunque aún en fase de investigación, este enfoque híbrido traza un camino hacia cerraduras preparadas para la era cuántica para escáneres médicos, imágenes satelitales y otras fotografías sensibles que deberán mantenerse secretas durante las próximas décadas.

Cita: Gururaja, T.S., Pravinkumar, P. Quantum secure image encryption using hybrid QTRNG and QPRNG. Sci Rep 16, 5151 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35111-6

Palabras clave: encriptación de imágenes cuánticas, generador cuántico de números aleatorios, QTRNG QPRNG híbrido, seguridad post‑cuántica, transmisión segura de imágenes