Cuando se aplican los metodos de analisis propios de la Mecanica Cuantica al estudio de la informacion , se obtienen resultados no reconciliables con la Teoria de la informacion.Clasica.Suge asi un nuevo paradigma de descripcion formal de la informacion:el proporcionado por la Teoria de la Informacion Cuantica. En los ultimos anos esta reciente disciplina ha experimentado un enorme progreso que ha puesto en evidencia sus grande ventejas potenciales , respecto a su analogo clasico, en el tratamiento, transmision y especialmente proteccion de informacion clasica. Sin embargo, del mismo modo que este ultimo recurso (la proteccion de informacion clasica)es imprescindible para la sociedad actual, debido a la expansion y popularizacion de las redes abiertas de ordenadores, el problema cuantico analogo (la proteccion de informacion puramente cuantica)tambien podria tener gran importancia en los futuros sistemas cuanticos de comunicacion. La proteccion de la informacion esta fuertemente relacionada con dos de lso principales servicios criptograficos:La confidencialiddad y la integridad o autenticacion de informacion.El proposito de esta tesis es estudiar la viabilidad de la version cuantica del segundo de estos servicios y desarrollar protocolos eficientes par la autenticacion de informacion cuantica,es decir , sistemas criptograficos que garanticen que un mensaje de naturaleza cuantica no ha sido modificado o reemplazddo sin aautorizacion en el canal de comunicaciones.Asimismo , se estudian las posibles ventajas del prceso cuantico de la informacion , respecto al clasico, en la autenticacion de informacion exclusivamente clasica.
Cuando se aplican los metodos de analisis propios de la Mecanica Cuantica al estudio de la informacion , se obtienen resultados no reconciliables con la Teoria de la informacion.Clasica.Suge asi un nuevo paradigma de descripcion formal de la informacion:el proporcionado por la Teoria de la Informacion Cuantica. En los ultimos anos esta reciente disciplina ha experimentado un enorme progreso que ha puesto en evidencia sus grande ventejas potenciales , respecto a su analogo clasico, en el tratamiento, transmision y especialmente proteccion de informacion clasica. Sin embargo, del mismo modo que este ultimo recurso (la proteccion de informacion clasica)es imprescindible para la sociedad actual, debido a la expansion y popularizacion de las redes abiertas de ordenadores, el problema cuantico analogo (la proteccion de informacion puramente cuantica)tambien podria tener gran importancia en los futuros sistemas cuanticos de comunicacion. La proteccion de la informacion esta fuertemente relacionada con dos de lso principales servicios criptograficos:La confidencialiddad y la integridad o autenticacion de informacion.El proposito de esta tesis es estudiar la viabilidad de la version cuantica del segundo de estos servicios y desarrollar protocolos eficientes par la autenticacion de informacion cuantica,es decir , sistemas criptograficos que garanticen que un mensaje de naturaleza cuantica no ha sido modificado o reemplazddo sin aautorizacion en el canal de comunicaciones.Asimismo , se estudian las posibles ventajas del prceso cuantico de la informacion , respecto al clasico, en la autenticacion de informacion exclusivamente clasica.
En un futuro cercano, la computación cuántica tendrá mucha influencia sobre la seguridad de las comunicaciones, con relevancia en entornos críticos como por ejemplo en defensa. Por esta razón cobra gran importancia plantear posibles soluciones como la criptografía cuántica y poscuántica. Surge entonces una pregunta; ¿Corre peligro la seguridad de las comunicaciones militares? Lo cierto es que con la cada vez más cercana llegada de la computación cuántica, la respuesta a esta pregunta es clara. Por ello es necesario anticiparse a la futura obsolescencia de los sistemas criptográficos actuales, sobre los que se sustenta toda la protección de datos clasificados y de operaciones estratégicas. En este Trabajo de Fin de Grado se exponen los fundamentos de la criptografía moderna para estudiar su evolución, las amenazas emergentes derivadas de la computación cuántica y las líneas de investigación que permitirán mantener la seguridad de las comunicaciones en defensa. El TFG se estructura en tres grandes bloques: criptografía clásica, cuántica y poscuántica. En primer lugar, se han tratado los principales algoritmos clásicos empleados actualmente, tanto simétricos como asimétricos, destacando sus vulnerabilidades frente a los algoritmos cuánticos de Shor y Grover. En segundo lugar, se ha analizado la criptografía cuántica (QKD), siendo una posible alternativa, cuya fortaleza se basa en leyes físicas. Sin embargo, aunque estos sistemas ofrecen un nivel de seguridad teóricamente inquebrantable, su implementación práctica sigue limitada por la necesidad de equipos específicos, la dependencia de autenticación clásica y los elevados costes de despliegue. Por último, se ha estudiado la criptografía poscuántica (PQC). Una gran alternativa, que propone algoritmos matemáticos resistentes a ataques cuánticos, con la ventaja de ser compatibles con la infraestructura existente. Además, se ha realizado una entrevista al experto Luis Fernando Hernández Encinas, cuyos resultados serán incluidos junto con la revisión bibliográfica en un análisis DAFO que permite identificar las fortalezas, debilidades, oportunidades y amenazas de ambas tecnologías. De este análisis se concluye que, la criptografía clásica se encuentra en fase de obsolescencia estratégica, mientras que la criptografía cuántica y la poscuántica representan los pilares de la seguridad futura. La primera ofrece una protección teórica total, aunque todavía no es viable a gran escala. La segunda, en cambio, constituye una solución práctica e inmediata para iniciar la transición.
En este trabajo de tesis se apunta a desarrollar herramientas que posibiliten la descripción de sistemas físicos de interés en información cuántica. El marco teórico de las investigaciones está dado por la teoría de la información, la mecánica cuántica y la geometría diferencial. Las investigaciones propuestas están principalmente vinculadas al interés en la naturaleza de los objetos y procesos coherentes en física, en particular focalizado en la noción de coherencia cuántica. La coherencia cuántica en sistema de muchos cuerpos representa la esencia del entrelazamiento y es un ingrediente indispensable para una multitud de fenómenos físicos en óptica cuántica, información cuántica, física de estado sólido y termodinámica a bajas temperaturas. Los estados entrelazados y el fenómeno de coherencia juegan un rol central en las ciencias de la información cuántica, cuyo desarrollo en los últimos años ha alcanzado gran relevancia a nivel global y constituye uno de los temas prioritarios de estudio en centros de investigación destacados de todo el mundo. En escenarios realistas, tales como sistemas cuánticos abiertos, la coherencia es afectada por el ruido ambiente, de acuerdo al fenómeno de decoherencia; la descripción de procesos físicos de decoherencia es un área de estudio muy activa. Para el estudio de procesos coherentes en sistemas cuánticos resulta fundamental contar con medidas apropiadas que permitan cuantificar el grado de coherencia. Se han establecido algunas propiedades que tales medidas deberían satisfacer, notando que la caracterización cuantitativa de coherencia necesita aún atención y un análisis más exhaustivo y amplio. Los objetivos específicos son explorar cuantificadores alternativos de coherencia utilizando medidas de información, lograr caracterizarla en el marco de la teoría de recursos mediante la propiedad de mayorización y avanzar sobre formulaciones geométricas y entrópicas del principio de incerteza desarrolladas por el grupo, estudiando su conexión con la coherencia cuántica.
Se pretende que el alumno desarrolle un proyecto de investigación asociado a la simulación numérica de la dinámica y control de sistemas estocásticos con potenciales aplicaciones en el novedoso campo de las tecnologías cuánticas. Objetivo 1) Utilizar software adaptado al análisis y simulación numérica de ecuaciones diferenciales estocásticas. Objetivo 2) Modelización y simulación de sistemas lineales estocásticos análogos a sistemas cuánticos lineales. Objetivo 3) Planteamiento de protocolos de control óptimo sobre estos sistemas. Objetivo 4) Simulación de la dinámica y control óptimo de un sistema cuántico lineal. \nEl control es una rama interdisciplinar de la ingeniería y las matemáticas, aplicada al comportamiento de los sistemas dinámicos. Un controlador manipula la entrada o estado inicial del sistema para lograr un efecto deseado en un estado posterior o salida. Hoy en día, prácticamente todo sistema mecánico y electrónico posee un sistema de control asociado, por sencillo que sea. Un sistema de control simple consiste en una acción sobre el sistema y la obtención del resultado esperado sobre el mismo. Sin embargo, para evitar un final abierto, los sistemas realizan, por lo regular, mediciones intermedias sobre sus salidas y con esa información el sistema es retroalimentado para modificar la acción de control reiniciando el ciclo de entrada-salida. Por otra parte, el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en dispositivos cuyas leyes vienen dictadas por la mecánica cuántica se ha convertido en una prioridad para el desarrollo tecnológico actual y diversas aplicaciones tales como las comunicaciones, sensores y computadores cuánticos esperan a su desarrollo para ser implementadas. Esto exige que la rama del control cuántico se desarrolle. Sin embargo, algunas cualidades de la mecánica cuántica no permiten pasar fácilmente el esquema del control clásico al ámbito cuántico. Clásicamente, es posible adquirir toda la información necesaria y emplearla de manera eficiente para retroalimentar el sistema y especializar la acción de control al estado actual. Por el contrario, en un sistema cuántico no toda la información es asequible mediante una medición y, además, todo intento de medir el sistema lo perturba de manera notable. Técnicamente, las ecuaciones dinámicas en un proceso tal, son ecuaciones diferenciales estocásticas no lineales en lugar de las ecuaciones diferenciales deterministas de los sistemas clásicos. En este proyecto, el alumno implementará un software de simulación de sistemas estocásticos adaptado a las peculiaridades de sistemas cuánticos lineales para a continuación, ensayar la validez de diversos protocolos de control óptimo propuestos para estos sistemas
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.
La Información Cuántica, como disciplina que hereda virtudes y defectos de la Teoría de la Información y de la Mecánica Cuántica, ha brindado, durante los últimos años, un avance considerable en el entendimiento y resolución de ciertos problemas de Fundamentos de la Cuántica. El formalismo, sin embargo, no está exento de interrogantes propios que son intensamente estudiados. Algunas de las contribuciones más importantes se vinculan con las potencialidades de los sistemas mecánico-cuánticos como recursos computacionales más poderosos que los implementables mediante sistemas que no evidencian efectos cuánticos. La clave, en esos casos, está en el tipo de correlaciones que pueden establecerse entre dos o más partes de los sistemas. En este trabajo, presento varios resultados en los que estudio aspectos informacionales de los sistemas cuánticos, presentes incluso en los estados denominados clásicamente correlacionados.
En un principio, la Teoría de la Información fue concebida en forma abstracta, en base a una formulación matemática. Sin embargo, la habilidad y eficiencia para procesar o transmitir información dependerá en última instancia del sistema físico elegido para codificar esa información. Es así que, al codificar la información en las propiedades físicas de sistemas cuyo comportamiento se describe por las leyes de la mecánica cuántica, se abren nuevas posibilidades que son irrealizables clásicamente. Entre ellas, la posibilidad de generar algoritmos cuánticos para ciertos cálculos que requieren un número de pasos significativamente menor que cualquier algoritmo clásico, reduciendo su complejidad. Entre las características fundamentales de la mecánica cuántica que posibilitan estos desarrollos, sobresalen el principio de superposición y el entrelazamiento cuántico. Una de las implementaciones más accesibles para la comunicación cuántica y el procesamiento cuántico de la información emplea fotones individuales como portadores de la información. Estos pueden viajar entre dos estaciones distantes siendo poco afectados por el ruido que introduce el entorno. Además, poseen varios grados de libertad en los cuales es posible codificar la información y pueden manipularse con un alto grado de control utilizando tecnología estándar. En este trabajo se describen algunas aplicaciones de la implementación fotónica, realizadas en colaboración con el Laboratorio de Procesado de Imágenes (LPI) del Depto. de Física de la UBA. En primer lugar, se describe la determinación experimental de medidas de correlaciones cuánticas en estados no puros de un par de fotones correlacionados en polarización, mediante técnicas de tomografía de estados cuánticos. Luego se describe la utilización de moduladores espaciales de luz programables para entrelazar la polarización con grados de libertad espaciales, y así poder simular los denominados estados historia de evoluciones temporales cuánticas. Se muestra que este último proveeun esquema eficientepara el cálculo de promedios temporales de observables del sistema.