La Distribución Cuántica de Clave (Quantum Key Distribution, QKD) se presenta como unatecnología fundamental para garantizar la seguridad de las comunicaciones frente a las amenazas derivadas del avance de la computación cuántica. Aunque la seguridad de la QKD se apoya en principios físicos bien establecidos, su despliegue en infraestructuras reales plantea nuevos retos de carácter opera tivo, especialmente en lo relativo a la monitorización continua, la interpretación de métricas cuánticas y la detección temprana de degradaciones del sistema. Este Trabajo Fin de Grado aborda el problema de la monitorización operativa de infraestructuras QKD desde una perspectiva ingenieril, centrada en el análisis de datos operativos reales procedentes de sistemas comerciales desplegados en red. El objetivo principal es diseñar y evaluar un pipeline reproducible de análisis y detección de anomalías capaz de transformar métricas cuánticas y clásicas (QBER, tasa de clave segura, entre otras) en información accionable para la operación de enlaces QKD, en ausencia de datos etiquetados de fallos o ataques. Para ello, se analizan datasets reales de distintos fabricantes y se desarrolla un flujo de trabajo basado en la limpieza de datos, la ingeniería de características temporales y multivariantes, y el uso de técnicas de aprendizaje automático no supervisado, concretamente Isolation Forest y Autoencoders. Estos modelos se emplean como herramientas de apoyo al análisis operativo, priorizando la interpretabilidad, la robustez frente al ruido y la reducción de falsos positivos. La evaluación del sistema se lleva a cabo mediante demostradores operativos controlados, diseñados para reproducir escenarios físicamente plausibles como degradaciones del canal cuántico, saturaciones del plano clásico, deriva lenta y perturbaciones estocásticas. Los resultados muestran que el sistema propuesto es capaz de detectar anomalías estructurales relevantes y de distinguirlas de variaciones benignas del sistema, evitando alarmas injustificadas en condiciones de operación normal. El trabajo concluye que las técnicas de aprendizaje automático no supervisado, combinadas con conocimiento del dominio y un análisis cuidadoso de los datos, constituyen una herramienta viable para apoyar la monitorización operativa de infraestructuras QKD reales, y sientan las bases para futuras extensiones orientadas al mantenimiento predictivo y a su integración en arquitecturas de control de red cuántica. ABSTRACT Quantum Key Distribution (QKD) is increasingly regarded as a key technology to ensure the long-term security of communications against the threats posed by quantum computing. While the security of QKD is grounded in well-established physical principles, its deployment in real-world infrastructures introduces relevant operational challenges, particularly with respect to continuous monitoring, the interpretation of quantum metrics, and the early detection of system degradations. This Bachelor’s Thesis addresses the problem of operational monitoring of QKD infrastructures from an engineering perspective, with a focus on the analysis of real operational data obtained from commercial QKD systems deployed in networked environments. The main objective is to design and evaluate a reproducible monitoring and anomaly detection pipeline capable of transforming quantum and classical operational metrics (such as QBER and secure key rate) into actionable information, in the absence of labeled data describing failures or attacks. To achieve this goal, real datasets from different manufacturers are analyzed (in this Thesis QTI and Thoshiba machines are analyzed), and a data processing pipeline is developed based on data cleaning, temporal and multivariate feature engineering, and the application of unsupervised machine learning techniques, specifically Isolation Forest and Autoencoders. These models are used as decision-support tools, with an emphasis on interpretability, robustness to noise, and the reduction of false positives. The system is evaluated using controlled operational demonstrators designed to reproduce physically plausible scenarios, including quantum channel degradation, classical plane saturation, slow drift effects, and stochastic instabilities. The results indicate that the proposed approach is capable of detecting relevant structural anomalies while avoiding unjustified alarms under normal operating conditions. The thesis concludes that unsupervised learning techniques, when combined with domain knowledge and careful data analysis, constitute a viable solution for supporting the operational monitoring of real QKD infrastructures, and provide a solid foundation for future work on predictive maintenance and integration into quantum network control architectures.
La Distribución Cuántica de Clave (Quantum Key Distribution, QKD) se presenta como unatecnología fundamental para garantizar la seguridad de las comunicaciones frente a las amenazas derivadas del avance de la computación cuántica. Aunque la seguridad de la QKD se apoya en principios físicos bien establecidos, su despliegue en infraestructuras reales plantea nuevos retos de carácter opera tivo, especialmente en lo relativo a la monitorización continua, la interpretación de métricas cuánticas y la detección temprana de degradaciones del sistema. Este Trabajo Fin de Grado aborda el problema de la monitorización operativa de infraestructuras QKD desde una perspectiva ingenieril, centrada en el análisis de datos operativos reales procedentes de sistemas comerciales desplegados en red. El objetivo principal es diseñar y evaluar un pipeline reproducible de análisis y detección de anomalías capaz de transformar métricas cuánticas y clásicas (QBER, tasa de clave segura, entre otras) en información accionable para la operación de enlaces QKD, en ausencia de datos etiquetados de fallos o ataques. Para ello, se analizan datasets reales de distintos fabricantes y se desarrolla un flujo de trabajo basado en la limpieza de datos, la ingeniería de características temporales y multivariantes, y el uso de técnicas de aprendizaje automático no supervisado, concretamente Isolation Forest y Autoencoders. Estos modelos se emplean como herramientas de apoyo al análisis operativo, priorizando la interpretabilidad, la robustez frente al ruido y la reducción de falsos positivos. La evaluación del sistema se lleva a cabo mediante demostradores operativos controlados, diseñados para reproducir escenarios físicamente plausibles como degradaciones del canal cuántico, saturaciones del plano clásico, deriva lenta y perturbaciones estocásticas. Los resultados muestran que el sistema propuesto es capaz de detectar anomalías estructurales relevantes y de distinguirlas de variaciones benignas del sistema, evitando alarmas injustificadas en condiciones de operación normal. El trabajo concluye que las técnicas de aprendizaje automático no supervisado, combinadas con conocimiento del dominio y un análisis cuidadoso de los datos, constituyen una herramienta viable para apoyar la monitorización operativa de infraestructuras QKD reales, y sientan las bases para futuras extensiones orientadas al mantenimiento predictivo y a su integración en arquitecturas de control de red cuántica. ABSTRACT Quantum Key Distribution (QKD) is increasingly regarded as a key technology to ensure the long-term security of communications against the threats posed by quantum computing. While the security of QKD is grounded in well-established physical principles, its deployment in real-world infrastructures introduces relevant operational challenges, particularly with respect to continuous monitoring, the interpretation of quantum metrics, and the early detection of system degradations. This Bachelor’s Thesis addresses the problem of operational monitoring of QKD infrastructures from an engineering perspective, with a focus on the analysis of real operational data obtained from commercial QKD systems deployed in networked environments. The main objective is to design and evaluate a reproducible monitoring and anomaly detection pipeline capable of transforming quantum and classical operational metrics (such as QBER and secure key rate) into actionable information, in the absence of labeled data describing failures or attacks. To achieve this goal, real datasets from different manufacturers are analyzed (in this Thesis QTI and Thoshiba machines are analyzed), and a data processing pipeline is developed based on data cleaning, temporal and multivariate feature engineering, and the application of unsupervised machine learning techniques, specifically Isolation Forest and Autoencoders. These models are used as decision-support tools, with an emphasis on interpretability, robustness to noise, and the reduction of false positives. The system is evaluated using controlled operational demonstrators designed to reproduce physically plausible scenarios, including quantum channel degradation, classical plane saturation, slow drift effects, and stochastic instabilities. The results indicate that the proposed approach is capable of detecting relevant structural anomalies while avoiding unjustified alarms under normal operating conditions. The thesis concludes that unsupervised learning techniques, when combined with domain knowledge and careful data analysis, constitute a viable solution for supporting the operational monitoring of real QKD infrastructures, and provide a solid foundation for future work on predictive maintenance and integration into quantum network control architectures.
En un futuro, cuando las computadoras cuánticas, aunque no estén disponibles para el público, lleguen a ser una realidad, los atacantes podrán desencriptar la información de las redes fácilmente debido a la capacidad de los ordenadores cuánticos de resolver ciertos problemas con una rapidez inimaginable. Esto podrá causar grandes pérdidas económicas y filtraciones masivas de datos de millones de empresas y personas. Las computadoras logran resolver determinados problemas mucho más eficientemente que los sistemas clásicos, y eso impacta directamente en la seguridad. La tecnología de Distribución Cuántica de Claves (QKD, sus siglas en inglés), podría considerarse una de las soluciones más prometedoras para garantizar la seguridad de las comunicaciones en una época post-cuántica. Existen otras soluciones como PQC, pero este trabajo se centrará exclusivamente en QKD. Sin embargo, las implementaciones reales de QKD no están exentas de posibles vulnerabilidades, como ataques de canal lateral, denegaciones de servicio o intervenciones en el canal cuántico, que pueden comprometer tanto la integridad como la disponibilidad del sistema. La infraestructura clásica de la arquitectura QKD también es vulnerable, como cualquier otra infraestructura clásica, por ello es tan importante securizarla. Estos nodos que son vulnerables a ataques físicos pueden explotarse con ataques clásicos de hacking. El objetivo de este trabajo es estudiar la seguridad de las redes QKD desde un enfoque integral que combine la evaluación de vulnerabilidades en los nodos físicos mediante herramientas de análisis de red y pentesting, con el desarrollo de un sistema capaz de detectar intrusiones en el canal cuántico y redirigir automáticamente el tráfico por una ruta segura. Para ello se ha diseñado un entorno simulado para comprobar la eficacia de las herramientas. Estas dos herramientas se implementarán dentro de un pipeline de detección y contramedidas donde se aprovecharán ambas soluciones conjuntamente para obtener una mejora significativa de la seguridad en la red. Los resultados obtenidos muestran que aplicar las técnicas tradicionales de la ciberseguridad sobre los nodos QKD permite reducir significativamente la superficie de ataque, y que es posible desarrollar un sistema capaz de asegurar disponibilidad en las redes QKD incluso en caso de ataques al sistema. Este enfoque híbrido demuestra la viabilidad de aplicar mecanismos de defensa clásicos y dinámicos en un entorno cuántico, y de esta manera, sienta las bases para futuras redes QKD más robustas, adaptativas y seguras. ABSTRACT In the future, when quantum computers, even if not available to the public, become a reality, attackers will be able to decrypt network information easily due to the ability of quantum computers to solve certain problems at unimaginable speeds. This could lead to major economic losses and massive data breaches affecting millions of companies and individuals. Quantum computers are capable of solving specific problems much more efficiently than classical systems, and this directly impacts security. Quantum Key Distribution (QKD) technology could be considered one of the most promising solutions to ensure secure communications in a post-quantum era. Other solutions such as PQC also exist, but this work will focus exclusively on QKD. However, real-world QKD implementations are not free from potential vulnerabilities, such as side-channel attacks, denial-of-service attacks, or interventions in the quantum channel, which can compromise both the integrity and availability of the system. The classical infrastructure of the QKD architecture is also vulnerable, just like any other classical infrastructure, which is why securing it is so important. These nodes, which are vulnerable to physical attacks, can be exploited using classical hacking techniques. The objective of this work is to study the security of QKD networks from a comprehensive approach that combines the evaluation of vulnerabilities in physical nodes using network analysis and pentesting tools, with the development of a system capable of detecting intrusions in the quantum channel and automatically redirecting traffic through a secure route. For this purpose, a simulated environment has been designed to test the effectiveness of these tools. Both tools will be implemented within a detection and countermeasure pipeline, where both solutions will be used together to achieve a significant improvement in network security. The results obtained show that applying traditional cybersecurity techniques to QKD nodes significantly reduces the attack surface, and that it is possible to develop a system capable of ensuring availability in QKD networks even in the event of attacks on the system. This hybrid approach demonstrates the feasibility of applying classical and dynamic defense mechanisms in a quantum environment, thereby laying the groundwork for future QKD networks that are more robust, adaptive, and secure.
Las redes de distribución cuántica de clave (QKD) constituyen una tecnología emergente orientada a garantizar la seguridad de las comunicaciones frente a las capacidades de la computación cuántica. Su complejidad y su despliegue en infraestructuras reales hacen valiosa la existencia de herramientas que permitan visualizar y comprender su estado y funcionamiento. Este Trabajo de Fin de Grado parte de una herramienta previa de visualización de redes QKD, desarrollada en Unity y limitada al uso en ordenador con datos simulados, y la transforma en una aplicación de visualización inmersiva capaz de representar datos procedentes de una red QKD real. El trabajo se articula en torno a tres líneas: la adaptación de la herramienta a un entorno de Realidad Virtual y Mixta sobre dispositivos Meta Quest, mediante el estándar OpenXR y el XR Interaction Toolkit; la integración con una red QKD real a través de una arquitectura que delega en un backend intermedio toda la comunicación con la infraestructura, exponiendo al cliente una interfaz sencilla; y la conexión de ambas partes, de modo que la visualización refleje datos reales distinguiéndolos de los simulados. El sistema resultante representa de forma inmersiva e interactiva la topología de la red, el estado de sus enlaces y sus métricas, alimentándose de datos reales de la red MadQCI en los enlaces que disponen de hardware accesible. La arquitectura desacoplada constituye la principal aportación, al dejar el sistema preparado para ampliar su cobertura de datos reales sin modificar el cliente de visualización. ABSTRACT Quantum Key Distribution (QKD) networks are an emerging technology aimed at securing communications against the capabilities of quantum computing. Their complexity and their deployment in real infrastructures make tools that allow their state and operation to be visualised and understood particularly valuable. This Bachelor's Thesis takes as its starting point an existing QKD network visualisation tool, developed in Unity and limited to desktop use with simulated data, and transforms it into an immersive visualisation application capable of representing data from a real QKD network. The work is structured around three lines: the adaptation of the tool to a Virtual and Mixed Reality environment on Meta Quest devices, using the OpenXR standard and the XR Interaction Toolkit; the integration with a real QKD network through an architecture that delegates all communication with the infrastructure to an intermediate backend, exposing a simple interface to the client; and the connection of both parts, so that the visualisation reflects real data while distinguishing it from simulated data. The resulting system provides an immersive and interactive representation of the network topology, the state of its links and its metrics, drawing on real data from the MadQCI network for those links with accessible hardware. The decoupled architecture constitutes the main contribution, as it leaves the system ready to extend its coverage of real data without modifying the visualisation client.
Este trabajo desarrolla una prueba de concepto sobre comunicaciones con cifrado cuántico aplicada a la red de telecomunicaciones gestionada por NASERTIC. El objetivo principal es analizar el potencial de la distribución cuántica de claves (QKD) para reforzar la seguridad de las comunicaciones y evaluar su viabilidad en un entorno real. El proyecto parte del estudio de las tecnologías cuánticas aplicadas a la protección de datos y, en particular, de los principios físicos que permiten detectar intentos de interceptación durante el intercambio de claves. Sobre esta base, se aborda tanto el estado del arte de la criptografía cuántica como el análisis comparativo de distintas soluciones técnicas y comerciales orientadas a su posible implantación en redes de telecomunicación. A partir de este estudio, se plantea el diseño de una prueba de concepto que incluye la evaluación de la arquitectura necesaria, la selección preliminar de equipamiento y el análisis de su posible integración en un escenario real de red. Asimismo, el trabajo incorpora tareas de configuración inicial, simulación y validación funcional, con el propósito de sentar las bases técnicas del proyecto y facilitar una futura transición hacia pruebas con hardware QKD real.
La distribución cuántica de claves (QKD) se ha posicionado como la principal tecnología para solventar futuras vulnerabilidades asociadas a avances computacionales, particularmente en aquellos relacionados con computación cuántica. QKD se puede demostrar completamente segura (es una primitiva Information-Theoretic Secure - ITS) para solventar los problemas derivados a la distribución o intercambio de claves secretas. Esto significa que una correcta implementación de QKD es inmune a cualquier ataque, independientemente del poder computacional del atacante. Sintetizando, podemos considerar QKD como dos fuentes de claves simétricas localizadas en dos puntos remotos. Sin embargo, estas ventajas tienen un precio, debido a que QKD es una tecnología física que depende de la capacidad de producir, manipular y transmitir señales a nivel cuántico. Esto hace de QKD una tecnología compleja, que actualmente carece de suficiente flexibilidad. Diseños actuales hacen que QKD sea visto como cajas negras que requieren una red ad-hoc de uso exclusivo para evitar interferencias con otros canales clásicos, puesto que estos canales podrían afectar drásticamente a las correlaciones codificadas en las señales cuánticas, que son la base para la creación de las claves simétricas. Como resultado, las implementaciones actuales no pueden ser integradas fácilmente como elementos dentro de la infraestructura de los operadores. Como equipos, no son únicamente caros de por sí, si no que todos los requisitos asociados acarrean costes asociados al despliegue y la operación, penalizando su aceptación fuera de escenarios muy concretos. Paralelamente, las redes comunicación están sufriendo una evolución hacia nuevas soluciones basados en nuevos principios de virtualización y de arquitecturas software. Estas soluciones, llamadas software-defined networking (SDN) y network functions virtualization (NFV), facilitan una rápida integración de servicios y de tecnologías, a la par que permiten un mayor grado de flexibilidad para optimizar el uso de la red y el despliegue de servicios. No obstante, esta evolución trae consigo nuevas vulnerabilidades que pueden ser críticas a distintos niveles, ya que las redes de comunicación son la infraestructura base dentro de nuestra sociedad de la información. Desde nuestro punto de vista, esta evolución de red debe verse como una oportunidad de crear una simbiosis entre estas tecnologías y QKD. Por un lado, SDN y NFV pueden facilitar una integración real de QKD en redes de comunicaciones, ya que la red no será nunca más un conjunto de dispositivos actuando de manera independiente, si no que la gestión se centraliza, teniendo una visión homogénea de la red y de sus recursos. Esto permitirá integrar, gestionar y optimizar los recursos cuánticos (sistemas y claves) de manera global. Por otra parte, muchos de los problemas de seguridad asociados a las redes y a su evolución pueden ser mitigados o terminados gracias a QKD. De esta manera, los nuevos paradigmas de red no solo permitirán la integración de las tecnologías cuánticas dentro de las redes, mientras que se beneficiarán al mismo tiempo de sus capacidades incluyendo una capa adicional de seguridad a la red. Siguiendo estos principios, el propósito de la tesis es doble: inicialmente, analizar los requisitos para la integración de QKD en sistemas de gestión de red, principalmente en arquitecturas SDN, con el objetivos de facilitar su despliegue y gestión, permitiendo optimizar y capitalizar la red QKD y reducir el time-to-market; el segundo consiste en estudiar las vulnerabilidades dentro de distintos escenarios y capas de red, donde QKD puede servir como capa adicional para securizar la red contra amenazas actuales y otras por venir, creando una infraestructura de red quantumsafe. ----------ABSTRACT---------- Quantum Key Distribution (QKD) is one of the major cryptographic solutions to tackle the security threats associated to future computational advances, in particular those coming from quantum computing. QKD is an Information-Theoretic Secure (ITS) cryptographic primitive that solves the problem of secret key distribution: it is immune to any attack, independently of the computational power that the eavesdropper might have. At the most simple level, QKD can be seen as a source of symmetric secret keys in two separated places. This advantage comes at a price, since QKD is a physical layer technology that depends on the ability to produce, manipulate, transmit and detect signals at the quantum level. It is not an easy technology and current implementations of QKD lack flexibility. They are designed as black-boxes that require a separate ad-hoc network in order to transmit the quantum signals and avoid any interference from classical signals. Such interferences would kill the delicate correlations encoded in the quantum signals that make possible the creation of secret keys in two separate locations. The result is that current QKD systems cannot be used as a part of a telecommunications network. As devices, they are not only expensive by themselves, but also their requirements increase the deployment and operation costs, heavily penalizing its adoption beyond very specific scenarios. While this is happening, current network architectures are already evolving towards novel architectures based on the principles of softwarization and virtualization. These solutions, so called Software-Defined Networking (SDN) and Network Functions Virtualization (NFV) allows for a faster integration of new technologies and services within the network, while bringing flexibility to optimize the network utilization and service allocation. This added flexibility afforded by softwarization, brings also new vulnerabilities that might be extremely dangerous, since the telecommunications network is a critical infrastructure to our modern information society. From the point of view of QKD, these advances in networking are crucial and must be seen as an bidirectional opportunity. On the one hand, the new networking paradigms allow for a real integration of QKD in the telecommunication network. Under this view, the network is no more a set of disparate devices acting as black-boxes with a predominantly autonomous behavior. Now the decisions are taken by a centralized SDN entity that knows the requirements of devices and applications and can optimize the resources, also catering to the specific needs of quantum devices. On the other hand, the new security threats in this model can be effectively tackled by means of QKD. As such, the new network paradigms not only make possible the real integration of quantum devices in the telecommunications network, it also benefits from this integration by increasing its security level using QKD keys. Following these ideas, the aim of this thesis is twofold: the first is to analyze the requirements for the integration of QKD in current networks, more specifically in SDN architectures, with the objective to make easier their integration and deployment, to optimise and to capitalize the QKD network and reduce their timeto- market; the second, to study current and future network scenarios where QKD can provide an additional security layer to make the network safer against today’s threats and the future ones coming from technologies like quantum computing, i.e. creating a quantum-safe network.
El objetivo principal de esta Tesis ha sido el proponer un nuevo paradigma para la distribucion cuantica de claves (QKD) basado en una tecnica de uso comun en la disciplina de la Fotonica de Microondas: La Multiplexacion por division de subportadora (SCM). Para ello, en este trabajo se han desarrollan los modelos basicos y fundamentales relativos a dispositivos sistemas y redes relacionados con este paradigma. La Tesis se ha estructurado en seis capitulos y tres apendices. Tras una breve introduccion a las tecnologias base del paradigma propuesto se ha presentado una introduccion a la distribucion cuantica de claves en la que se ha tratado aspectos relativos a conceptos y tecnicas basicas, asi como a temas que son de importancia a la hora de comprender y evaluar el funcionamiento de los sistemas QKD. Tambien se han revisado las contribuciones mas significativas al estado del arte del tema. Como primera contribucion original, se han desarrollado en el capitulo 3, los modelos en regimen cuantico para los dispositivos necesarios en sistemas SCM-QKD. En algunos casos, como el del divisor de haz y sus versiones en guiaonda (acopladores) los modelos pueden encontrarse en algunos libros de texto sobre optica cuantica. En otros, como el modulador electrooptico de fase y amplitud, estos modelos son casi inexistentes. Seguidamente, con todos los modelos clasicos y cuanticos de los componentes mas relevantes que se emplean para un sistema SCM-QKD se ha procedido, en el capitulo 4, a su analisis extremo a extremo, teniendo el cuenta el maximo numero de factores de degradacion. El resultado es la obtencion de las tasas de error de bit cuantico (QBER) y la maxima tasad de distribucion de claves. Para finalizar, la Tesis ha cubierto tambien tema del diseno de redes opticas pasivas (PON) para el transporte de servicios QKD, aportando soluciones novedosas tanto en aspectos genericos como en aspectos particulares al paradigma SCM-QKD.
En este trabajo se estudia la criptografía cuántica como una aplicación fundamental de la información cuántica al problema de la distribución segura de claves. Tras motivar la necesidad de nuevos paradigmas criptográficos frente a la amenaza de la computación cuántica sobre sistemas clásicos como RSA, se introducen los conceptos físicos necesarios para el análisis: qubits, bases de medida, estados no ortogonales y teorema de no clonación. A continuación, se presenta el protocolo BB84, describiendo sus etapas principales y los procedimientos clásicos de corrección de errores y amplificación de privacidad. Su seguridad se estudia mediante herramientas de teoría de la información, en particular la información mutua de Shannon, y se deriva el umbral de QBER del 11% a partir de los teoremas de Csiszár-Körner y Hall. Estos resultados se complementan con una simulación Monte Carlo en Python del protocolo BB84 con ruido de canal y un ataque intercept-resend, que permite visualizar la relación entre la intervención de Eve, el QBER y la fracción de clave secreta extraíble. Finalmente, se analiza el protocolo E91, basado en pares entrelazados y en la violación de desigualdades de Bell, como un segundo mecanismo de seguridad fundamentado directamente en las leyes de la mecánica cuántica.