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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.