En este trabajo de fin de grado se propone una implementación del algoritmo Federal Information Processing Standards (FIPS) 203 creado por el National Institute of Standards and Technology (NIST) para crear un canal de comunicaciones entre dispositivos con bajas capacidades de cómputo, resistente a ataques originados por computadores cuánticos. El documento introduce al lector en el mundo de las comunicaciones, analizando aspectos como la seguridad de la información y la criptografía, para exponer los problemas actuales y la motivación para mitigarlos. Posteriormente, se presenta el estado del arte sobre los fundamentos de la computación cuántica, la criptografía, la seguridad en las comunicaciones y una evaluación comparativa de plataformas de pruebas. En el desarrollo del proyecto, se plantea una solución para proteger dispositivos con recursos limitados frente a ataques basados en el uso de computadores cuánticos. Se plantea de un entorno inicial con máquinas virtuales para, posteriormente, analizar dispositivos más limitados, estudiar sus resultados y diseñar e implementar un protocolo cliente-servidor que permita decidir el nivel de seguridad óptimo en función de la capacidad de cómputo, gracias a un algoritmo de decisión adaptativo.
En este trabajo de fin de grado se propone una implementación del algoritmo Federal Information Processing Standards (FIPS) 203 creado por el National Institute of Standards and Technology (NIST) para crear un canal de comunicaciones entre dispositivos con bajas capacidades de cómputo, resistente a ataques originados por computadores cuánticos. El documento introduce al lector en el mundo de las comunicaciones, analizando aspectos como la seguridad de la información y la criptografía, para exponer los problemas actuales y la motivación para mitigarlos. Posteriormente, se presenta el estado del arte sobre los fundamentos de la computación cuántica, la criptografía, la seguridad en las comunicaciones y una evaluación comparativa de plataformas de pruebas. En el desarrollo del proyecto, se plantea una solución para proteger dispositivos con recursos limitados frente a ataques basados en el uso de computadores cuánticos. Se plantea de un entorno inicial con máquinas virtuales para, posteriormente, analizar dispositivos más limitados, estudiar sus resultados y diseñar e implementar un protocolo cliente-servidor que permita decidir el nivel de seguridad óptimo en función de la capacidad de cómputo, gracias a un algoritmo de decisión adaptativo.
La aparición de la computación cuántica plantea una amenaza directa sobre los sistemas criptográficos actualmente desplegados, poniendo en riesgo la confidencialidad y autenticidad de la información. En tal contexto, la criptografía postcuántica surge como una alternativa diseñada para resistir ataques basados en ordenadores cuánticos, empleando como base problemas matemáticos considerados intratables incluso para este escenario. El objetivo de este trabajo es evaluar la viabilidad práctica de los algoritmos criptográficos de tipo postcuántico propuestos por el proceso de estandarización del NIST, comparándolos con algoritmos clásicos muy conocidos. Con tal fin, se ha llevado a cabo un análisis teórico del estado del arte y un estudio experimental basado en microbenchmarks criptográficos y pruebas sobre el protocolo TLS 1.3, usando implementaciones reales y plataformas hardware heterogéneas. La metodología empleada permite estudiar métricas relevantes como tiempos de ejecución, latencias o escalabilidad, tanto en operaciones atómicas como en escenarios de comunicación más amplios. Los resultados muestran que los algoritmos basados en retículos, como ML-KEM y ML-DSA, ofrecen un rendimiento competitivo frente a algoritmos clásicos con nivel de seguridad equivalente, de manera especial en hardware moderno. No obstante se observa un impacto significativo en dispositivos con recursos limitados y en el proceso de handshake TLS. Se concluye que este trabajo demuestra que la criptografía postcuántica es técnicamente viable en numerosos entornos reales, aunque su adopción debe abordarse de forma progresiva y contextualizada, considerando las limitaciones físicas y requisitos de cada sistema.
Desde que apareció la idea de utilizar computadores cuánticos para resolver problemas matemáticos de gran complejidad que no podrían ser resueltos en tiempo polinomial por computadores clásicos inició una carrera en la que compiten dos equipos: los que desarrollarán el primer computador cuántico de uso general y los que descubrirán como poder resistir al uso malicioso de estos nuevos computadores. La criptografía post-cuántica trata de imponerse a esta situación investigando nuevos algoritmos que reemplacen a los algoritmos actuales de clave pública como RSA dando lugar a sistemas resistentes tanto a algoritmos clásicos como a cuánticos antes de que la amenaza de un computador cuántico pueda acabar, entre otros peligros y en especial, con la seguridad y la privacidad en las comunicaciones a través de Internet. Se refleja en este proyecto el estado actual de la investigación en esta materia: algoritmos criptográficos basados en problemas que no pueden ser resueltos por computadores cuánticos, desarrollos y patentes, aplicaciones actuales y futuras, etc. dejando al lector una fuente de recursos óptima para su iniciación en la criptografía post-cuántica.
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.
El objetivo de este Trabajo de Fin de Máster es, comenzando desde los fundamentos de la Criptografía, presentar las principales familias de esquemas poscuánticos y realizar una comparativa señalando el estado actual de las mismas. En primer lugar, se presentará un capítulo introductorio que repasa los conceptos esenciales de la criptografía clásica, incluyendo cifrados simétricos y asimétricos. A continuación, se analizará el impacto de la computación cuántica en estos sistemas, exponiendo las vulnerabilidades de los algoritmos actuales frente a ataques como el de Shor y el de Grover. El trabajo presentará diferentes familias de algoritmos que, por su diseño, se cree que resisten ataques provenientes de un usuario con ordenador cuántico. Se estudiarán las construcciones basadas en problemas de retículos, criptografía basada en códigos, funciones hash y en curvas elípticas. Para cada una de estas familias, se analizarán sus fundamentos matemáticos, ventajas y desafíos, así como su viabilidad en implementaciones prácticas. Como conclusión, se realizará un pequeño estado del arte, comparando la viabilidad de las mismas y su potencial estandarización por organismos como el NIST.
Los avances en el campo de la computación cuántica obligan a desarrollar e implementar algoritmos criptográficos resistentes a ataques en ordenadores cuánticos (criptografía pos-cuántica) de forma urgente. La seguridad de los criptosistemas asimétricos actuales se basa en la dificultad de factorizar números enterosgrandes o resolver problemas de logaritmos discretos. Sin embargo, estos problemas matemáticos se puedenresolver en tiempo polinomial (eficientemente) usando ordenadores cuánticos. En respuesta, se realiza una intensa investigación sobre la criptografía pos-cuántica. Esta ciencia es el estudio de los esquemas criptográficos que serían seguros contra los adversarios que tienen computadoras cuánticas y clásicas y que a su vez pueden implementarse sin cambios drásticos en las redes y protocolos de comunicación existentes. Este artículo ofrece una descripción general del estado del arte de los esquemas asimétricos alternativos que tienen la capacidad de resistir ataques en ordenadores cuánticos y considera sus principales características.
El presente Trabajo Fin de Grado presenta el estudio, diseño e implementación del esquema criptográfico ML-KEM, uno de los algoritmos seleccionados por el NIST dentro del proceso de estandarización de criptografía post- cuántica. A partir del análisis del estándar FIPS 203, se implementan de manera modular todas las funciones necesarias para el funcionamiento del esquema, incluyendo las transformaciones NTT, los mecanismos de muestreo determinista, los procedimientos de compresión y codificación, y las operaciones internas K-PKE sobre las que se construyen las funciones de encapsulación y desencapsulación. La implementación se desarrolla íntegramente en lenguaje C, manteniendo correspondencia directa con los algoritmos oficiales y permitiendo su adaptación a los distintos conjuntos de parámetros definidos en el estándar. Asimismo, se realizan mediciones de rendimiento mediante ciclos de CPU, evaluando la eficiencia de las distintas fases del esquema. El trabajo proporciona una comprensión detallada del funcionamiento de ML-KEM y una base práctica que permite estudiar, depurar o extender el algoritmo en entornos reales. El código completo se incluye en el anexo como referencia técnica para futuras ampliaciones o desarrollos.