Durante los próximos años, la seguridad de la información se enfrentará a uno de los retos más significativos en la historia de la criptografía moderna, un cambio profundo en las reglas del juego: el advenimiento de los ordenadores cuánticos. El posicionamiento ante el problema de la distribución cuántica de claves resultará vital para las principales potencias globales de nuestro siglo. Estados Unidos y China representan las dos posturas prevalentes: mientras que Estados Unidos muestra un cauto escepticismo, China ha hecho una apuesta decidida. El artículo explora las razones más relevantes detrás de una y otra aproximación, los desafíosque presenta la tecnología, las expectativas de resolución y los principales avances científicos. Posteriormente, presentamos las implementaciones prácticas más importantes hasta la fecha, qué estrategia subyace detrás de estas y cómo los distintos actores pretenden proyectar su visión del futuro de las comunicaciones seguras. Un futuro favorable a sus intereses.
Durante los próximos años, la seguridad de la información se enfrentará a uno de los retos más significativos en la historia de la criptografía moderna, un cambio profundo en las reglas del juego: el advenimiento de los ordenadores cuánticos. El posicionamiento ante el problema de la distribución cuántica de claves resultará vital para las principales potencias globales de nuestro siglo. Estados Unidos y China representan las dos posturas prevalentes: mientras que Estados Unidos muestra un cauto escepticismo, China ha hecho una apuesta decidida. El artículo explora las razones más relevantes detrás de una y otra aproximación, los desafíosque presenta la tecnología, las expectativas de resolución y los principales avances científicos. Posteriormente, presentamos las implementaciones prácticas más importantes hasta la fecha, qué estrategia subyace detrás de estas y cómo los distintos actores pretenden proyectar su visión del futuro de las comunicaciones seguras. Un futuro favorable a sus intereses.
La ciencia y la tecnología cuánticas están atravesando una fase de desarrollo que no solo está transformando la comprensión de la naturaleza del universo, sino también impulsando avances fundamentales en diversos campos, como la computación cuántica, la criptografía y los sensores cuánticos. Estos avances se basan en los principios de la mecánica cuántica, como la superposición y el entrelazamiento cuántico, que están permitiendo nuevos enfoques en el procesamiento de información, la seguridad y la precisión de mediciones (Nielsen y Chuang, 2010; Gisin et al., 2002). En este documento, se exploran los avances más significativos de la física cuántica y sus aplicaciones tecnológicas emergentes, con un enfoque en cómo estas tecnologías están moldeando el futurode la ciencia, la industria y las interacciones humanas. La computación cuántica tiene el potencial de revolucionar el procesamiento de datos, resolviendo problemas complejos que las computadoras tradicionales no pueden abordar, mientras que la criptografía cuántica promete ofrecer comunicaciones seguras e inviolables a través de la distribución de claves cuánticas (Bennett y Wiesner, 1992). A medida que avanzan estas tecnologías, también surgen importantes retos éticos y sociales. El impacto de la computación cuántica podría generar disrupciones en el empleo y acentuar las desigualdades en el acceso a estas herramientas, mientras que la criptografía cuántica plantea nuevos desafíos en la protección de datos y la privacidad. A su vez, se resalta la importancia de la ciencia y la tecnología cuánticas para el bienestar global, subrayando la necesidad de un desarrollo sostenible y equitativo de estas tecnologías a nivel mundial.
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 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 criptografía surge para atender las necesidades de la sociedad de contar con una forma fiable de proteger la información en diferentes áreas, pero la criptografía clásica se revela progresivamente más insegura ante la evolución tecnológica de nuestra capacidad computacional. La criptografía cuántica, por el contrario, está basada en los principios de la mecánica cuántica y es capaz de proporcionar seguridad incondicional en las comunicaciones, independientemente de la capacidad tecnológica de un posible atacante. Dentro del campo de las telecomunicaciones, la mayor parte de los esfuerzos experimentales realizados en los últimos años con vistas a una realización comercial de la criptografía cuántica se han volcado en las redes de fibra óptica, donde además la luz es el sistema cuántico más fácilmente manipulable para implementar las técnicas criptográficas cuánticas. El primer sistema de criptografía cuántica, el denominado BB84, fue propuesto hace treinta años, y su principal inconveniente era que sólo podían garantizar seguridad a distancias de transmisión relativamente cortas (en torno a 25-30 Km). Para mejorar estas prestaciones, en los últimos años se han propuesto diversas variaciones, como los basados en el uso de "decoy states", en el que el transmisor emite pulsos luminosos de diversas intensidades que elige de manera aleatoria. Esta técnica permite estimar mejor el comportamiento del canal y posibilita transmitir claves criptográficas secretas a distancias cercanas a los 200 Km, aunque los grandes bloques de datos que debía procesar limitaban su máxima velocidad de reloj posible. Posteriormente, los protocolos de ¿fase distribuida¿ podían superar las limitaciones antes mencionadas, aunque su seguridad incondicional únicamente ha sido probada a medias distancias (inferiores a los 100 Km). El objetivo de esta tesis es precisamente estudiar la seguridad de estas técnicas y obtener cotas superiores para su distancia máxima de transmisión. Para ello, se evalúa en detalle la seguridad del protocolo COW ("coherent one-way"), que es empleado por la mayoría de los dispositivos de criptografía cuántica comerciales, mediante el estudio de ataques secuenciales contra este protocolo. Este tipo de ataques mantiene la coherencia en los bloques de pulsos luminosos reenviados, impiden establecer correlaciones cuánticas entre los usuarios legítimos del sistema y, por tanto, no permiten la distribución de claves criptográficas secretas entre ellos. Esta metodología permite demostrar, por primera vez, que gran parte de las implementaciones experimentales recientes del COW a largas distancias son inseguras. Los resultados de esta tesis también ponen en seria duda la viabilidad de estos protocolos para lograr distancias de transmisión similares a las obtenidas, por ejemplo, con el sistema basado en "decoy states".
Paradójicamente se vive una analogía entre las décadas de 1950s cuando se iniciaron los computadores que operaban con transistores y grandes máquinas que cubrían grandes espacios y la década de 2000s en la cual emergen nuevas hipótesis para optimizar el rendimiento del computador cuántico desde la algoritmia hasta los qubits y desde su composición hasta su comportamiento. Hoy en día se han mejorado diferentes aspectos relacionados al mundo cuántico donde se presentan retos como la criptografía, decoherencia, superposición de estados entre otros que son fundamentales para el alcance de este poderoso ordenador. Se han construido máquinas que factorizan pequeñas cifras, sin embargo persisten dificultades en cuanto a la lectura de la información ya que el mundo atómico es un inmenso océano el cual no se ha explorado lo suficiente, cuyas bases se mantienen en lo profundo de la metafísica. La idea general es que las personas interesadas en esta temática se ilustren un poco acerca de la tecnología que abarcará toda la información del futuro, generar inquietudes que motiven al descubrimiento e investigaciones que generen discernimientos a partir de la descripción que se realiza desde el origen de la computación cuántica, sus elementos y su comportamiento.
"La Criptografía Cuántica es un tipo de criptografía basada en propiedades de la mecánica cuántica, que sirve para distribuir claves de forma segura. No obstante, en las implementaciones físicas surgen algunos problemas de seguridad causados por los dispositivos que no cumplen con los requerimientos de los modelos teóricos. En este trabajo se presentan los fundamentos de la criptografía cuántica, desde los aspectos teóricos sobre los que se basa su seguridad y funcionamiento, hasta las principales implementaciones experimentales y los avances que se han logrado con cada una. Además, se hace un análisis de seguridad para cada una de estas implementaciones." -- Tomado del formato de documento de grado