Este trabajo se enfoca en la viabilidad del uso de criptografía para un escenario post-cuántico para la transmisión y almacenamiento seguro de datos patrimoniales.
El presente trabajo aborda el análisis de la criptografía cuántica aplicada a la seguridad de la información, con el propósito de fortalecer los mecanismos de protección en la transmisión de datos. La criptografía cuántica se fundamenta en las propiedades físicas de los fotones, cuyo cambio de estado permite detectar cualquier intento de interceptación, alertando simultáneamente al emisor y al receptor sobre la falta de seguridad del canal. La investigación adopta un enfoque cuantitativo, orientado a la interpretación de datos obtenidos mediante la observación, recolección bibliográfica y análisis de contenidos. El estudio se clasifica como descriptivo y de diseño no experimental, centrado en examinar las bases teóricas, el funcionamiento y las potenciales aplicaciones de la criptografía cuántica en los sistemas actuales de seguridad informática. Los resultados del análisis destacan que, aunque su implementación aún enfrenta desafíos técnicos y económicos, esta tecnología representa una de las propuestas más prometedoras para garantizar la confidencialidad y la integridad de la información frente al creciente poder de cómputo de los sistemas cuánticos. En conclusión, el trabajo evidencia que el desarrollo e investigación continua en criptografía cuántica permitirá construir entornos digitales más seguros, contribuyendo al fortalecimiento de la ciberseguridad y al avance del conocimiento científico en el campo de la ingeniería informática.
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.
Actualmente la mayoría de los protocolos de aplicación en Internet delegan su seguridad a la capa TLS por medio de implementaciones de software tales como OpenSSL y wolfSSL. Esta capa genera un canal seguro entre cliente y servidor para ofrecer privacidad, autenticidad e integridad a los datos que transitan la red. TLS utiliza criptografía asimétrica para lograr la autenticación e intercambio de las claves. Estos métodos se basan en supuestos de complejidad computacional, por lo que hacen uso de funciones matemáticas muy simples de calcular, pero extremadamente difíciles de revertir haciendo uso de los procesadores actuales. No obstante, estos mecanismos se consideran vulnerables al criptoanálisis realizado desde computadoras cuánticas. Aún así, existen algoritmos asimétricos que se consideran resistentes a este tipo de ataque: los algoritmos post-cuánticos. Este trabajo estudió el estado del arte en el campo de la criptografía post-cuántica, mencionó los avance en el proceso de estandarización y los algoritmos candidatos más prometedores en la actualidad. Además, analizó las implementaciones de software y librerías de código abierto que han alcanzado mayor nivel de madurez, y que a su vez cuentan con un desarrollo activo. Se detallaron dos implementaciones de TLS: wolfSSL y las variantes de OpenSSL provistas por el proyecto Open Quantum Safe, OQS-OpenSSL; y se realizaron experimentos de integración de estas implementaciones con HTTP y OpenVPN como protocolos de capa de Aplicación.
Esta tesis abordó el problema de la multiplicación segura de datos cifrados, donde se requiere preservar la seguridad y la integridad de los datos, con este objetivo se propuso el diseño y validación de un modelo híbrido – clásico cuántico – el cual multiplica polinomios cifrados, parte fundamental del criptosistema homomórfico aproximado Cheon–Kim–Kim-Song (CKKS), fundamentado en el problema Ring Learning With Errors (RLWE). Asimismo, esta solución empleó convoluciones cuánticas mediante la Quantum Fourier Transform (QFT), para explorar sus propiedades de interferencia y superposición en el dominio cuántico criptográfico. Metodológicamente, el modelo se implementó mediante circuitos cuánticos simulados utilizando el framework Qiskit, en conjunto con la librería criptográfica Microsoft SEAL y el lenguaje Python, lo que permitió evaluar el comportamiento del modelo en un entorno mixto – clásico cuántico. Los resultados obtenidos demostraron que el producto calculado sobre datos cifrados mediante un criptosistema homomórfico cuántico corresponde – dentro de un margen de error acotado y controlado – al producto en texto plano, validando que el uso de técnicas cuánticas en un criptosistema clásico no afecta la seguridad de los datos y preserva la fidelidad algebráica. Durante la multiplicación cuántica, los datos permanecieron ininteligibles, accesibles unicamente por un usuario autorizado, lo que constituye un aporte relevante y escalable para el desarrollo de modelos de procesamiento seguro de datos en escenarios cuánticos.
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.
La criptografía es la base de cualquier mecanismo de seguridad informática. Se utiliza habitualmente en un login web, en el envío de correos electrónicos, o incluso cuando se produce la sincronización de archivos en la nube, entre otros. Todos los protocolos de comunicación que utilizan SSL/TLS en TCP/IP [1] hacen uso de criptografía asimétrica para autenticación y firma digital. Estos algoritmos se basan en complejos cálculos matemáticos de una sola vía, es decir, son fáciles de realizar, pero muy difíciles de revertir. Si bien los ordenadores actuales no son capaces de romper estos algoritmos en periodos de tiempo aceptables, las computadoras cuánticas, hoy en sus albores de desarrollo, sí podrán hacerlo fácilmente. Es aquí donde surge la necesidad de algoritmos de cifrado que sean resistentes a ataques cuánticos. Estos algoritmos, denominados post cuánticos, si bien están en sus primeras etapas de investigación, resultarán de suma utilidad en un futuro cercano, en el que las técnicas de cifrado asimétrico actuales no puedan brindar la privacidad, autenticación e integridad de los datos en Internet. El presente trabajo de investigación pretende dar luz en este moderno campo de estudio, analizando las implementaciones de software y bibliotecas de programación disponibles en la actualidad.