Introducción y Motivación La computación cuántica amenaza los pilares de la criptografía clásica, basada en problemas como la factorización de enteros o logaritmos discretos. Esta vulnerabilidad ha impulsado el desarrollo de la criptografía post-cuántica, orientada a preservar la confidencialidad, integridad y autenticidad de la información en un escenario donde los ordenadores cuánticos sean una realidad práctica. Objetivos Este trabajo tiene como objetivo principal estudiar el algoritmo de firma digital Dilithium, uno de los estándares seleccionados por el NIST para resistir ataques cuánticos. El análisis incluye una descripción de sus fundamentos matemáticos, estructura técnica, ventajas frente a algoritmos clásicos como RSA o ECC y una implementación práctica en entorno real. Hallazgos Dilithium se basa en problemas de retículas como LWE (Learning With Errors) y SIS (Short Integer Solution), considerados intratables incluso con ordenadores cuánticos. Su diseño combina eficiencia y seguridad: utiliza claves de tamaño intermedio y firmas ligeramente más grandes que ECC, pero notablemente más seguras frente a amenazas cuánticas. En cuanto a su implementación, se comprobó que puede integrarse en arquitecturas existentes, incluyendo dispositivos con recursos limitados, gracias a su rendimiento aceptable y bajo consumo computacional. Además, es compatible con esquemas híbridos que combinan criptografía clásica y post-cuántica, facilitando una transición progresiva sin comprometer la seguridad. Conclusiones Dilithium representa una solución robusta y eficiente frente a las amenazas emergentes de la computación cuántica. Su solidez matemática, reconocida por el proceso de estandarización del NIST, y su capacidad de adaptación a sistemas reales lo convierten en una opción viable para reforzar la seguridad en infraestructuras críticas. Se concluye que la adopción anticipada de algoritmos post-cuánticos es no solo recomendable, sino esencial para garantizar la continuidad y fiabilidad de los sistemas digitales en las próximas décadas. Abstract: Introduction and Motivation Quantum computing poses a serious threat to classical cryptographic systems, especially those relying on problems like integer factorization and discrete logarithms. This growing risk has driven the development of post-quantum cryptography, aimed at safeguarding data confidentiality, integrity, and authenticity in a future where quantum computers are practically viable. Objectives The main goal of this thesis is to study the Dilithium digital signature algorithm, one of the schemes selected by NIST for standardization in the post-quantum era. The research covers its mathematical foundations, technical structure, comparative performance against traditional algorithms such as RSA and ECC, and a hands-on implementation in a real-world environment. Findings Dilithium is built upon lattice problems such as LWE (Learning With Errors) and SIS (Short Integer Solution), which remain intractable even with quantum capabilities. The algorithm offers a balance between performance and security, using medium-sized keys and moderately large signatures. Although signature sizes exceed those of ECC, the quantum-resistance it offers far outweighs this drawback. Practically, Dilithium can be implemented on existing systems, including constrained devices, due to its efficient execution and low computational overhead. Furthermore, it integrates seamlessly into hybrid cryptographic models that combine classical and post-quantum mechanisms, enabling gradual migration without compromising security. Conclusions Dilithium stands out as a strong and efficient candidate for securing digital infrastructure against quantum threats. Its mathematical soundness, validated by NIST's standardization process, and its practical adaptability make it a compelling solution for future-proofing security systems. The conclusion is clear: early adoption of post-quantum cryptographic algorithms is not merely advisable, it is imperative to ensure long-term digital resilience.
Introducción y Motivación La computación cuántica amenaza los pilares de la criptografía clásica, basada en problemas como la factorización de enteros o logaritmos discretos. Esta vulnerabilidad ha impulsado el desarrollo de la criptografía post-cuántica, orientada a preservar la confidencialidad, integridad y autenticidad de la información en un escenario donde los ordenadores cuánticos sean una realidad práctica. Objetivos Este trabajo tiene como objetivo principal estudiar el algoritmo de firma digital Dilithium, uno de los estándares seleccionados por el NIST para resistir ataques cuánticos. El análisis incluye una descripción de sus fundamentos matemáticos, estructura técnica, ventajas frente a algoritmos clásicos como RSA o ECC y una implementación práctica en entorno real. Hallazgos Dilithium se basa en problemas de retículas como LWE (Learning With Errors) y SIS (Short Integer Solution), considerados intratables incluso con ordenadores cuánticos. Su diseño combina eficiencia y seguridad: utiliza claves de tamaño intermedio y firmas ligeramente más grandes que ECC, pero notablemente más seguras frente a amenazas cuánticas. En cuanto a su implementación, se comprobó que puede integrarse en arquitecturas existentes, incluyendo dispositivos con recursos limitados, gracias a su rendimiento aceptable y bajo consumo computacional. Además, es compatible con esquemas híbridos que combinan criptografía clásica y post-cuántica, facilitando una transición progresiva sin comprometer la seguridad. Conclusiones Dilithium representa una solución robusta y eficiente frente a las amenazas emergentes de la computación cuántica. Su solidez matemática, reconocida por el proceso de estandarización del NIST, y su capacidad de adaptación a sistemas reales lo convierten en una opción viable para reforzar la seguridad en infraestructuras críticas. Se concluye que la adopción anticipada de algoritmos post-cuánticos es no solo recomendable, sino esencial para garantizar la continuidad y fiabilidad de los sistemas digitales en las próximas décadas. Abstract: Introduction and Motivation Quantum computing poses a serious threat to classical cryptographic systems, especially those relying on problems like integer factorization and discrete logarithms. This growing risk has driven the development of post-quantum cryptography, aimed at safeguarding data confidentiality, integrity, and authenticity in a future where quantum computers are practically viable. Objectives The main goal of this thesis is to study the Dilithium digital signature algorithm, one of the schemes selected by NIST for standardization in the post-quantum era. The research covers its mathematical foundations, technical structure, comparative performance against traditional algorithms such as RSA and ECC, and a hands-on implementation in a real-world environment. Findings Dilithium is built upon lattice problems such as LWE (Learning With Errors) and SIS (Short Integer Solution), which remain intractable even with quantum capabilities. The algorithm offers a balance between performance and security, using medium-sized keys and moderately large signatures. Although signature sizes exceed those of ECC, the quantum-resistance it offers far outweighs this drawback. Practically, Dilithium can be implemented on existing systems, including constrained devices, due to its efficient execution and low computational overhead. Furthermore, it integrates seamlessly into hybrid cryptographic models that combine classical and post-quantum mechanisms, enabling gradual migration without compromising security. Conclusions Dilithium stands out as a strong and efficient candidate for securing digital infrastructure against quantum threats. Its mathematical soundness, validated by NIST's standardization process, and its practical adaptability make it a compelling solution for future-proofing security systems. The conclusion is clear: early adoption of post-quantum cryptographic algorithms is not merely advisable, it is imperative to ensure long-term digital resilience.
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.
La criptografía cuántica emerge como un paradigma disruptivo en la seguridad informática, aprovechando los principios de la mecánica cuántica, como el entrelazamiento, la superposición y la no clonación, para garantizar confidencialidad y autenticación incondicional frente a amenazas clásicas y cuánticas. Este artículo explora los fundamentos matemáticos que sustentan los protocolos cuánticos (e.g., BB84, E91 y QHE), analizando su resistencia teórica frente a ataques basados en el algoritmo de Shor y la computación cuántica. Mediante una metodología dual (revisión sistemática de literatura y modelado teórico), se evalúan las limitaciones prácticas de implementación, como la decoherencia, los ataques por canales laterales y la escalabilidad en redes de distribución cuántica de claves (QKD). Los resultados destacan que, aunque protocolos como la criptografía homomórfica cuántica (QHE) y las redes de repetidores cuánticos prometen seguridad incluso en entornos con dispositivos realistas, su eficiencia depende críticamente de avances en óptica integrada y corrección de errores cuánticos. Asimismo, se discute el papel de la criptografía poscuántica (lattices, códigos basados en hash) como puente transicional ante la inminente obsolescencia de sistemas clásicos como RSA y ECC. La conclusión subraya la urgencia de estandarizar marcos híbridos (cuántico-clásicos) y políticas de migración, respaldados por colaboraciones globales, para asegurar infraestructuras críticas en la era cuántica. Este trabajo sintetiza el estado del arte, identificando brechas tecnológicas y proponiendo direcciones futuras para una adopción práctica y segura.
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.
[ES] La seguridad de la infraestructura de tecnologías de la información actual depende de la criptografía asimétrica (RSA, ECC), utilizada ampliamente en protocolos como TLS/SSL y en la gestión de certificados digitales. Sin embargo, el rápido avance de la computación cuántica representa una amenaza inminente para estos sistemas. La vulnerabilidad actual reside en que los ordenadores cuánticos pueden resolver problemas matemáticos complejos (como la factorización de enteros) en tiempo polinómico O((log N)^3), lo cual invalida las garantías de seguridad de RSA. Ante este escenario, organizaciones internacionales como el NIST están en proceso de estandarizar nuevos algoritmos conocidos como Criptografía Post-Cuántica (PQC), recurriendo a nuevos paradigmas matemáticos como la criptografía basada en redes (Lattice-based cryptography), resistentes a ataques clásicos y cuánticos. Este TFG aborda el impacto teórico de esta transición tecnológica y propone un marco de adaptación enfocado en la rama de Tecnologías de la Información. La aportación central del proyecto será el diseño de un plan de migración para entornos corporativos estructurado en auditoría de activos, diseño de protocolos con arquitecturas híbridas y la actualización de las Infraestructuras de Clave Pública (PKI).
El avance de la computación cuántica representa una amenaza para los sistemas criptográficos clásicos utilizados en telecomunicaciones, especialmente aquellos basados en RSA y criptografía de curva elíptica, los cuales pueden ser vulnerados mediante algoritmos como el Algoritmo de Shor. La criptografía post-cuántica (PQC) surge como una alternativa para garantizar la seguridad; sin embargo, su adopción introduce desafíos relacionados con el desempeño, la interoperabilidad y el riesgo de migración. Este trabajo presenta un análisis integral de la implementación de PQC en entornos de telecomunicaciones, considerando tres dimensiones clave: desempeño, interoperabilidad y riesgo. Se emplea un enfoque mixto que combina evaluación experimental de esquemas criptográficos clásicos, post-cuánticos e híbridos, con análisis cualitativo de riesgos. Se analizan métricas como latencia, consumo de ancho de banda y carga computacional en protocolos de comunicación como TLS. El estudio busca identificar los compromisos entre seguridad y eficiencia, evaluar las limitaciones de interoperabilidad en infraestructuras heterogéneas y analizar los riesgos asociados a la transición. Como resultado, se propone un modelo integral que facilite la adopción de criptografía post-cuántica en sistemas de telecomunicaciones.
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.