Algunos trabajos recientes han desarrollado varias alternativas a Cascade, entre las cuales destacan aquellas basadas en el uso de técnicas de codificación modernas. Por ejemplo, a través del uso de códigos Low-Density Parity-Check (LDPC) hoy día encontramos varias propuestas que permiten mejorar la eficiencia de la reconciliación de clave para ratios de error elevados. Al utilizar códigos LDPC tan sólo se requiere un único uso del canal de comunicación. Estas propuestas se basan en una técnica conocida como “codificación de síndrome” que permite aplicar métodos de corrección de errores para reconciliar cadenas aleatorias correlacionadas. En una de estas propuestas aplicamos dos técnicas conocidas en codificación, cómo son la perforación y el acortado de símbolos, para adaptar en tiempo real el ratio de información proporcionado por el síndrome intercambiado.
Algunos trabajos recientes han desarrollado varias alternativas a Cascade, entre las cuales destacan aquellas basadas en el uso de técnicas de codificación modernas. Por ejemplo, a través del uso de códigos Low-Density Parity-Check (LDPC) hoy día encontramos varias propuestas que permiten mejorar la eficiencia de la reconciliación de clave para ratios de error elevados. Al utilizar códigos LDPC tan sólo se requiere un único uso del canal de comunicación. Estas propuestas se basan en una técnica conocida como “codificación de síndrome” que permite aplicar métodos de corrección de errores para reconciliar cadenas aleatorias correlacionadas. En una de estas propuestas aplicamos dos técnicas conocidas en codificación, cómo son la perforación y el acortado de símbolos, para adaptar en tiempo real el ratio de información proporcionado por el síndrome intercambiado.
Este trabajo presenta el análisis de las estructuras y características de\ndesempeño de los códigos LDPC (Low-Density Parity-Check Codes), los\ncuales son una clase de códigos lineales de bloque que proporcionan un\nrendimiento cercano a la Capacidad utilizando decodificación iterativa.\nEn principio se presenta la idea general de un sistema de comunicaciones\ny por medio de un diagrama de bloques se muestra cómo está\nconformado tal sistema. Después se sigue con la explicación del concepto\nde codificación y la razón por la cual se necesita de ésta para la\ntransmisión o almacenamiento de información. Además se dan las\ndefiniciones de algunos parámetros utilizados en este campo, incluyendo\nel gran aporte de Shannon con sus teoremas.\nPosteriormente se realiza una revisión general de las familias de códigos\nde corrección de error presentes en la literatura, definiendo sus\nestructuras y diferencias. Luego de esta revisión se da una introducción a\nlos códigos LDPC, en donde se explica la forma de codificación y los\ndistintos algoritmos de decodificación para estos códigos.\nFinalmente, se realiza el análisis del tipo de códigos LDPC basados en\narreglos y se muestran los resultados de las simulaciones realizadas. Se\npresenta la definición del fenómeno de error-floor y conjuntos absorbentes\nlos cuales afectan el rendimiento de los códigos LDPC en las regiones de\nbajo BER (Bit-Error Rate). Se estudia el efecto de la cuantización en el\nrendimiento de los decodificadores de los códigos LDPC basados en\narreglos. Así mismo, basados en el estudio anterior se analiza el resultado\nde la variación de los pesos de las columnas de las matrices de\ncomprobación de paridad para dichos códigos.\nAl final de la tesis se incluyen los códigos de los programas realizados,\njunto con una breve descripción de ellos, y se detalla un programa\ninteractivo basado en MatLab para la enseñanza de comunicaciones\ndigitales.
RESUMENEn esta tesis se han investigado los algoritmos de decodificación para códigos de comprobación de paridad de baja densidad (LDPC) y las arquitecturas para la implementación hardware de éstos.El trabajo realizado se centra en los algoritmos del tipo de intercambio de mensajes para códigos estructurados los cuales se incluyen en varios estándares de comunicaciones.Inicialmente se han evaluado las prestaciones de los algoritmos existentes Sum-product, Min-Sum y las principales variantes de este último (Min-Sum con escalado y Min-Sum con offset).Además, se ha realizado un análisis de precisión finita utilizando los códigos LDPC de los estándares IEEE 802.3an,IEEE 802.11n e IEEE 802.16e.Posteriormente se han propuesto dos algoritmos basados en el algoritmo Min-Sum, denominados Min-Sum entero y Min-Sum modificado con corrección.La complejidad de éstos es menor que las de los algoritmos estudiados anteriormente y además permiten una implementación hardware eficiente.Por otra parte, se han estudiado diferentes métodos de actualización de los algoritmos de decodificación: por inundación, por capas horizontales (layered) y por capas verticales (shuffled), y se ha propuesto un nuevo método por capas verticales entrelazadas (x-shuffled) que consigue mejorar la tasa de decodificación.Tras el estudio algorítmico, se han realizado implementaciones hardware con diferentes arquitecturas para los algoritmos y métodos de actualización evaluados y propuestos.En la mayoría de algoritmos implementados se requiere el cálculo de los dos primeros mínimos, por lo que inicialmente se realiza un estudio de las arquitecturas hardware para realizar este cálculo y se ha propuesto una nueva arquitectura de menor complejidad.En segundo lugar se ha realizado una comparación de las prestaciones hardware de los diferentes algoritmos con las arquitecturas de referencia: completamente paralela y parcialmente paralela basada en memorias.También se han propuesto dos arquitecturas enfocadas a la alta velocidad, la cuales se implementan con el algoritmo Sum-Product.La primera es una modificación de la arquitectura Sliced Message-Passing que consigue una reducción en el área de la implementación, y la segunda, es una arquitectura específica para el método de actualización propuesto x-shuffled que alcanza tasas de decodificación muy altas.Finalmente, se han implementado los algoritmos propuestos con la arquitectura layered obteniendo implementaciones hardware eficientes con baja área y muy alta tasa de decodificación.Estas últimas consiguen un ratio entre tasa de decodificación y área mejor que las implementa-III ciones existentes en la literatura.Por último, se ha evaluado el comportamiento de los algoritmos de decodificación estudiados en la zona de baja tasa de error, donde las prestaciones se suelen degradar debido a la aparición de un suelo de error.Para ello se ha implementado un simulador hardware usando dispositivos FPGA.La tasa de datos alcanzada con el simulador hardware diseñado es superior a la de otros simuladores documentados en la literatura.En la zona de baja tasa de error el algoritmo propuesto Min-Sum modificado con corrección presenta un mejor comportamiento que el resto de algoritmos evaluados, consiguiendo bajar el suelo de error varios órdenes de magnitud.
La corrección cuántica de errores constituye una condición esencial para construir computadores cuánticos capaces de ejecutar algoritmos largos y fiables. A diferencia de la corrección clásica, debe proteger estados cuánticos sin medir directamente ni destruir la información codificada, mediante redundancia, mediciones de síndrome y decodificación. El objetivo de este artículo es revisar el estado del arte entre 2020 y 2026, considerando códigos de superficie, códigos cuánticos de baja densidad de paridad (qLDPC), códigos bosónicos, decodificadores y circuitos dinámicos, así como su relación con aplicaciones prácticas. Se desarrolló una revisión narrativa de literatura científica y fuentes institucionales, con énfasis en resultados experimentales recientes y en las limitaciones que separan las demostraciones de memoria lógica de la ejecución de algoritmos útiles a gran escala. La literatura muestra avances en operación por debajo del umbral, reducción de errores lógicos al aumentar la distancia del código, decodificación en tiempo real y arquitecturas alternativas que buscan reducir el costo físico. Sin embargo, persisten desafíos relacionados con errores correlacionados, fuga de estados computacionales, conectividad, latencia, recursos para puertas lógicas tolerantes a fallos y escalabilidad. Las aplicaciones más prometedoras incluyen simulación cuántica, química y materiales, optimización y criptografía, aunque la corrección de errores no demuestra por sí sola una ventaja práctica en esas tareas. Se concluye que el progreso debe evaluarse por la calidad de los qubits lógicos, el costo total de recursos y la ejecución fiable de circuitos completos, no solo por el número de qubits físicos.
En esta tesis se presentan los resultados de una serie de experimentos opticos en los que se ejecutan algoritmos de comunicaciones cuanticas para realizar Distribucion Cuantica de Claves(DCC) criptograficas con estados coherentes de muy baja intensidad. Especificamente, se estudia la implementacion de esquemas practicos y robustos de DCC, con especial interes en sistemas basados en fibra optica. A diferencia de las comunicaciones por aire, este medio permite transmitir estados cuanticos con bajisimas atenuaciones y minimas perturbaciones externas, utilizando instrumental comercialmente disponible y de bajo costo, incluso para distancias de decenas de kilometros. Los protocolos de DCC estudiados codifican informacion clasica (bits) en estados cuanticos preparados sobre distintos grados de libertad discretos de sistemas fisicos. En el trabajo se exploran implementaciones que explotan la polarizacion y los modos temporales discretos de luz (time-bin). En ambos casos, fue necesario desarrollar y familiarizarse con tecnologias especificas para la preparacion, transmision y deteccion de dichos estados cuanticos. El problema de transmitir estados cuanticos en fibra de forma eficiente y robusta se ataco con dos estrategias. Por un lado, utilizando el grado de libertad de polarizacion y, por otro, modos temporales discretos de luz. En el primer caso, se codificaron los estados en el grado de libertad de polarizacion, que es facilmente accesible. Sin embargo, este es muy sensible a perturbaciones, por lo que para asegurar la robustez se incorporo un sistema de estabilizacion activa del Estado de Polarizacion(SOP, por su sigla en ingles). Con este esquema se implementaron dos variantes de un protocolo clasico de DCC, llamado BB84, utilizando la polarizacion de pulsos de luz para codificar los estados cuanticos. Esto requirio el desarrollo de una fuente de pulsos tenues de luz basada en un laser DFB en el rango de las telecomunicaciones, con un modulador de intensidad externo por electroabsorcion. Se diseno un sistema de estabilizacion de la polarizacion robusto que permite compensar de forma automatica las perturbaciones que genera la birrefringencia de la fibra sobre el estado de polarizacion. El sistema esta basado en controladores de polarizacion comerciales y electronica de control disenada especificamente, y puede ser adaptado facilmente a cualquier protocolo de comunicacion por fibra. En este sentido, se realizo una implementacion del protocolo BB84 y una variante llamada BB84E, que requiere la utilizacion de los seis estados de un conjunto completo de bases mutuamente no sesgadas para la polarizacion. En el segundo caso, se ensayo una codificacion mas sofisticada y resistente a perturbaciones, que implico enfrentar una serie de desafios tecnologicos, pero que se presenta como una alternativa practica y escalable en distancia de transmision y velocidad. Se propuso un esquema hibrido de DCC basado en un protocolo de referencia de fase distribuida con comunicacion bidireccional (Plug & Play), ambas tecnologias desarrolladas para trabajar especificamente en fibra optica, en un esquema con economia de recursos y distribucion tipo servidor-cliente. Asi, se obtuvo una configuracion en donde tanto el instrumental como las operaciones sobre los estados mas sensibles del protocolo se encuentran concentradas en una de las partes (servidor), mientras que los requerimientos sobre la otra parte involucrada en la comunicacion son minimos. Esta alternativa combina diferentes caracteristicas deseables en una implementacion practica de DCC, como la simplicidad y la robustez. El esquema propuesto codifica estados cuanticos en modos temporales discretos de luz. Esto requirio el desarrollo de dispositivos especificos para preparar y medir estos estados, basados en interferometros de fibra optica que no demanden estabilizacion activa. Otra de las premisas fue la independencia de funcionamiento del estado de polarizacion, que se logra a partir de la incorporacion de rotadores de Faraday en diferentes partes del esquema empleado. Por ultimo, debido al tipo de codificacion y al sistema de sincronizacion utilizados, este esquema es adaptable a tasas de transmision en el rango de los MHz. De los experimentos de DCC mencionados se desprenden una serie de desarrollos y pruebas de laboratorio adicionales, que son relevantes por si mismos. Entre ellos figuran la estabilizacion activa de interferometros de Mach-Zehnder en fibra y el estudio de esquemas experimentales alternativos para el protocolo hibrido de DCC propuesto. Tambien se puede destacar la puesta a punto de un prototipo autonomo de DCC en aire y su adaptacion para obtener un protocolo que distingue mezclas computables (pseudoaleatorias) de estados cuanticos. Este es un tema de interes para el procesamiento cuantico de la informacion en general. Las tecnicas abordadas y el know-how adquirido permiten entender y superar distintos problemas particulares de la utilizacion de estados cuanticos en comunicaciones por fibra optica. Ademas, estos desarrollos tienen la capacidad de ser empleados tanto en ensayos de DCC que excedan el ambito del laboratorio, como en un contexto mas amplio que permita implementar otros protocolos de comunicacion cuantica usando fibras opticas de telecomunicaciones como canal cuantico.
Advances in modern cryptography for secret-key agreement are driving the development of new methods and techniques in key distillation. Most of these developments, focusing on information reconciliation and privacy amplification, are for the direct benefit of quantum key distribution (QKD). In this context, information reconciliation has historically been done using heavily interactive protocols, i.e. with a high number of channel communications, such as the well-known Cascade. In this work we show how modern coding techniques can improve the performance of these methods for information reconciliation in QKD. Here, we propose the use of low-density parity-check (LDPC) codes, since they are good both in efficiency and throughput. A price to pay, a priori, using LDPC codes is that good efficiency is only attained for very long codes and in a very narrow range of error rates. This forces to use several codes in cases when the error rate varies significantly in different uses of the channel, a common situation for instance in QKD. To overcome these problems, this study examines various techniques for adapting LDPC codes, thus reducing the number of codes needed to cover the target range of error rates. These techniques are also used to improve the average efficiency of short-length LDPC codes based on a feedback coding scheme. The importance of short codes lies in the fact that they can be used for high throughput hardware implementations. In a further advancement, a protocol is proposed that avoids the a priori error rate estimation required in other approaches. This blind protocol also brings interesting implications to the finite key analysis. Los avances en la criptografía moderna para el acuerdo de clave secreta están empujando el desarrollo de nuevos métodos y técnicas para la destilación de claves. La mayoría de estos desarrollos, centrados en la reconciliación de información y la amplificación de privacidad, proporcionan un beneficio directo para la distribución cuántica de claves (QKD). En este contexto, la reconciliación de información se ha realizado históricamente por medio de protocolos altamente interativos, es decir, con un alto número de comunicaciones, tal y como ocurre con el protocolo Cascade. En este trabajo mostramos cómo las técnicas de codificación modernas pueden mejorar el rendimiento de estos métodos para la reconciliación de información en QKD. Proponemos el uso de códigos low-density parity-check (LDPC), puesto que estos son buenos tanto en eficiencia como en tasa de corrección. Un precio a pagar, a priori, utilizando códigos LDPC es que una buena eficiencia sólo se alcanza para códigos muy largos y en un rango de error limitado. Este hecho nos obliga a utilizar varios códigos en aquellos casos en los que la tasa de error varía significativamente para distintos usos del canal, una situación común por ejemplo en QKD. Para superar estos problemas, en este trabajo analizamos varias técnicas para la adaptación de códigos LDPC, y así poder reducir el número de códigos necesarios para cubrir el rango de errores deseado. Estas técnicas son también utilizadas para mejorar la eficiencia promedio de códigos LDPC cortos en un esquema de codificación con retroalimentación o realimentación (mensaje de retorno). El interés de los códigos cortos reside en el vii hecho de que estos pueden ser utilizados para implementaciones hardware de alto rendimiento. En un avance posterior, proponemos un nuevo protocolo que evita la estimación inicial de la tasa de error, requerida en otras propuestas. Este protocolo ciego también nos brinda implicaciones interesantes en el análisis de clave finita.