Desarrollo de un simulador para el protocolo de criptografía cuántica E91 en un ambiente distribuido Development of a simulator for the quantum cryptography protocol E91 in a distributed environment
Luis Cáceres Alvarez, Roberto Fritis Palacios, Patricio Collao Caiconte
RESUMEN El objetivo del presente trabajo de investigacion, consiste en el desarrollo de una aplicacion que sea capaz de simular el comportamiento de uno de los principales protocolos de criptografia cuantica desarrollados, el protocolo E91. Para lograr dicho objetivo fue fundamental una investigacion exhaustiva de los principales conceptos, principios y teoremas de la mecanica cuantica, como ademas del estudio de otros protocolos de criptografia cuantica y su desarrollo en la actualidad. Con toda la informacion recopilada se procede al desarrollo de la aplicacion, empezando por la definicion de los requerimientos, luego se continua con la implementacion y las posteriores pruebas de la aplicacion, que permite compilar todo el trabajo de analisis y diseno realizado. Los resultados obtenidos, demostraron las fortalezas y debilidades de la aplicacion para la distribucion segura de una clave final cuantica. Si bien este trabajo es principalmente de investigacion, el desarrollo de la aplicacion que simula el comportamiento del protocolo E91, es de caracter esencialmente demostrativo.Palabras clave: Mecanica cuantica, criptografia cuantica, protocolo cuantico E91, simulador E91, programacion distribuida, RMI.
RESUMEN El objetivo del presente trabajo de investigacion, consiste en el desarrollo de una aplicacion que sea capaz de simular el comportamiento de uno de los principales protocolos de criptografia cuantica desarrollados, el protocolo E91. Para lograr dicho objetivo fue fundamental una investigacion exhaustiva de los principales conceptos, principios y teoremas de la mecanica cuantica, como ademas del estudio de otros protocolos de criptografia cuantica y su desarrollo en la actualidad. Con toda la informacion recopilada se procede al desarrollo de la aplicacion, empezando por la definicion de los requerimientos, luego se continua con la implementacion y las posteriores pruebas de la aplicacion, que permite compilar todo el trabajo de analisis y diseno realizado. Los resultados obtenidos, demostraron las fortalezas y debilidades de la aplicacion para la distribucion segura de una clave final cuantica. Si bien este trabajo es principalmente de investigacion, el desarrollo de la aplicacion que simula el comportamiento del protocolo E91, es de caracter esencialmente demostrativo.Palabras clave: Mecanica cuantica, criptografia cuantica, protocolo cuantico E91, simulador E91, programacion distribuida, RMI.
El objetivo del presente trabajo de investigación, consiste en el desarrollo de una aplicación que sea capaz de simular el comportamiento de uno de los principales protocolos de criptografía cuántica desarrollados, el protocolo E91.Para lograr dicho objetivo fue fundamental una investigación exhaustiva de los principales conceptos, principios y teoremas de la mecánica cuántica, como además del estudio de otros protocolos de criptografía cuántica y su desarrollo en la actualidad.Con toda la información recopilada se procede al desarrollo de la aplicación, empezando por la definición de los requerimientos, luego se continúa con la implementación y las posteriores pruebas de la aplicación, que permite compilar todo el trabajo de análisis y diseño realizado.Los resultados obtenidos, demostraron las fortalezas y debilidades de la aplicación para la distribución segura de una clave final cuántica.Si bien este trabajo es principalmente de investigación, el desarrollo de la aplicación que simula el comportamiento del protocolo E91, es de carácter esencialmente demostrativo.
En este trabajo se estudia la criptografía cuántica como una aplicación fundamental de la información cuántica al problema de la distribución segura de claves. Tras motivar la necesidad de nuevos paradigmas criptográficos frente a la amenaza de la computación cuántica sobre sistemas clásicos como RSA, se introducen los conceptos físicos necesarios para el análisis: qubits, bases de medida, estados no ortogonales y teorema de no clonación. A continuación, se presenta el protocolo BB84, describiendo sus etapas principales y los procedimientos clásicos de corrección de errores y amplificación de privacidad. Su seguridad se estudia mediante herramientas de teoría de la información, en particular la información mutua de Shannon, y se deriva el umbral de QBER del 11% a partir de los teoremas de Csiszár-Körner y Hall. Estos resultados se complementan con una simulación Monte Carlo en Python del protocolo BB84 con ruido de canal y un ataque intercept-resend, que permite visualizar la relación entre la intervención de Eve, el QBER y la fracción de clave secreta extraíble. Finalmente, se analiza el protocolo E91, basado en pares entrelazados y en la violación de desigualdades de Bell, como un segundo mecanismo de seguridad fundamentado directamente en las leyes de la mecánica cuántica.
El presente trabajo de titulación aborda la aplicación de la computación cuántica en el ámbito de la seguridad criptográfica, mediante la implementación del simulador de circuitos cuánticos Qiskit Aer, con un esquema mínimo de autenticación, desafío y respuesta. El objetivo es analizar cómo los principios fundamentales de la mecánica cuántica pueden emplearse para validar la identidad de un usuario con un nivel de seguridad superior a los métodos clásicos. El estudio se fundamenta en fenómenos como la superposición, entrelazamiento, medición y el principio de indeterminación de Heisenberg en conjunto con la ley de la normalización. Asegurando que cualquier intento de observación o interferencia externa modifique el sistema, haciendo detectable la presencia de un intruso, tomando como respaldo las propiedades y leyes de la física dentro de la computación cuántica. En la primera sección, se estudian los sistemas criptográficos actuales con la finalidad de comparar con los métodos de encriptación cuántica. Para verificar las principales ventajas y cambios que se tiene en cada método. En la segunda sección, se procede a realizar pruebas mediante el simulador de circuitos cuánticos Qiskit, con la finalidad de realizar envíos para lograr una comunicación de datos de manera segura. En la tercera sección, se establece un umbral de decisión, para comparar los resultados de la encriptación cuántica frente a un escenario con un intruso dentro la comunicación con la finalidad de revisar la tasa de aciertos de ambos escenarios y sus porcentajes de aciertos. Finalmente, exponer los resultados simulados, demostrando el funcionamiento del enfoque cuántico, para fortalecer los mecanismos de la información direccionada a la seguridad criptográfica.
El presente trabajo de integración curricular desarrolla un análisis profundo sobre la seguridad criptográfica mediante la aplicación de la computación cuántica, utilizando específicamente el entorno de desarrollo de código abierto Qiskit de IBM. La investigación se fundamenta en la creciente necesidad de proteger la información frente a las capacidades de procesamiento de los computadores cuánticos modernos, los cuales representan una amenaza para los sistemas criptográficos tradicionales. El núcleo de este proyecto consiste en la implementación y simulación detallada del protocolo de distribución de claves cuánticas BB84. A través de la experimentación en entornos controlados y simulados, se evaluó la robustez del protocolo ante escenarios de ataque de interceptación y reenvío (intercept-resend). Para medir la eficacia del sistema, se utilizó como métrica principal la tasa de error de bits cuánticos (QBER). Los resultados obtenidos demuestran que, bajo los principios de la mecánica cuántica, específicamente el teorema de no clonación y el colapso del estado cuántico tras la medición, es posible detectar de manera inequívoca la presencia de un intruso (Eve) en el canal de comunicación. El estudio concluye que el protocolo BB84 garantiza la generación de claves aleatorias y seguras entre dos entidades (Alice y Bob), permitiendo descartar claves comprometidas cuando la tasa de error supera el umbral de seguridad establecido. Este trabajo no solo valida la teoría de la criptografía cuántica mediante herramientas de programación actuales, sino que también establece una base práctica para el estudio de redes de comunicación seguras y la implementación de protocolos de ciberseguridad avanzados dentro del ámbito de la tecnología en redes y telecomunicaciones.
Este Trabajo de Fin de Grado explora la implementación y análisis del protocolo BB84 de distribución cuántica de claves, integrando fundamentos teóricos de la mecánica cuántica con un desarrollo experimental en entornos de simulación y hardware cuántico real. El documento aborda, en primer lugar, los principios físicos esenciales para la seguridad de las comunicaciones, incluyendo fenómenos como el entrelazamiento, la superposición y la medición cuántica, así como los retos y ventajas que estas propiedades ofrecen frente a la criptografía clásica. Posteriormente, se presenta el estado del arte de la distribución cuántica de claves y de los sistemas cuánticos actuales, detallando arquitecturas, implementaciones y desarrollos recientes. En la parte experimental, se diseña y construye un circuito cuántico que implementa el protocolo BB84, incorporando las fases de generación de bits aleatorios, transmisión, recepción y detección de intentos de espionaje. Se realizan simulaciones parametrizadas con modelos de ruido realistas y se ejecutan pruebas en un procesador cuántico de IBM, evaluando el impacto de la tasa de error cuántico (Quantum Bit Error Rate (QBER)) sobre el éxito del protocolo.
La principal aplicación de la criptografía es la de proteger información para evitar que sea accesible a observadores no autorizados. Sin embargo, también tiene otras aplicaciones, por ejemplo verificar que un mensaje no haya sido modificado intencionadamente por un tercero, verificar que alguien es quien realmente dice ser, etc. El objetivo del presente trabajo es mostrar cómo la matemática juega un papel importante en la criptografía moderna y como ésta aprovecha los problemas difíciles (en el sentido computacional) que existen en la teoría de números para desarrollar protocolos criptográficos. Asimismo se menciona lo que pasaría con los protocolos criptográficos basados en la teoría de números si existiera una computadora cuántica.