Los canales de comunicación seguros usados hoy en día hacen uso de algoritmos criptográficos clásicos. La seguridad de estos algoritmos se basa en el enorme coste computacional que tiene la factorización de números de gran tamaño, lo que hace extremadamente improbable que sean rotos. Actualmente, no existe ningún algoritmo ejecutable en un ordenador clásico que sea capaz de resolver este problema en tiempo polinomial, pero los avances en el campo de la computación cuántica ponen en entredicho todo esto. Aunque aún está por demostrar un caso real de un ordenador cuántico rompiendo un algoritmo clásico, es solo cuestión de tiempo. Por estos motivos, entidades en sectores como el bancario, militar o gubernamentales están buscando alternativas para proteger sus datos. Una de las soluciones que se está explorando actualmente es la criptografía cuántica, que basa su seguridad en principios de la mecánica cuántica en vez de en problemas matemáticos. En concreto, la distribución de clave cuántica (QKD) es un conjunto de protocolos encargados de la generación de claves simétricas aleatorias entre dos puntos conectados por un canal cuántico. Las redes QKD nacen como respuesta a las limitaciones en alcance que actualmente tienen los enlaces cuánticos y se constituyen por una serie de nodos interconectados capaces de realizar QKD entre ellos. Debido al creciente interés en esta tecnología, organismos como el ETSI han comenzado con el proceso de creación de estándares como el ETSI GS QKD 004 en el cual se centra este trabajo. Este estándar define una API para el establecimiento de sesiones con calidad de servicio entre dos aplicaciones. El propósito de esta interfaz es el de proveer de claves simétricas QKD a las aplicaciones dentro de cada nodo de una red QKD. El objetivo de este trabajo es el análisis, evaluación y mejora del estándar para adaptarlo a nuevos casos de uso y hacerlo más competitivo con su homólogo el estándar ETSI GS QKD 014. Como parte de este trabajo también se desarrollará una implementación de referencia que estará disponible públicamente. Por último, esta implementación será integrada con la base de código usada en la red MadQCI, la red de comunicaciones cuánticas más grande y heterogénea jamás desarrollada en Europa hasta la fecha. --ABSTRACT-- The secure communication channels used today use classical cryptographic algorithms. The security of these algorithms is based on the enormous computational cost of factoring large numbers, which makes them extremely unlikely to be broken. Currently, there is no algorithm that can run on a classical computer that is capable of solving this problem in polynomial time, but advances in the field of quantum computing call all this into question. Although a real-life case of a quantum computer breaking a classical algorithm has yet to be demonstrated, it is only a matter of time. For these reasons, entities in sectors such as banking, military, and government are seeking alternatives to protect their data. One of the solutions currently being explored is quantum cryptography, which bases its security on principles of quantum mechanics rather than on mathematical problems. Specifically, quantum key distribution (QKD) is a set of protocols responsible for generating random symmetrical keys between two points connected by a quantum link. QKD networks emerged as a response to the current limitations in length of quantum links and are comprised of a series of interconnected nodes capable of performing QKD between them. Due to the growing interest in this technology, organizations such as ETSI have begun the process of creating standards, such as ETSI GS QKD 004, which is the focus of this work. This standard defines an API for establishing quality-ofservice sessions between two applications. The purpose of this interface is to provide symmetric QKD keys to applications within each node of a QKD network. The objective of this work is to analyze, evaluate, and improve the standard to adapt it to new use cases and make it more competitive with its counterpart, the ETSI GS QKD 014 standard. As part of this work, a reference implementation will also be developed and made publicly available. Finally, this implementation will be integrated with the codebase used in the MadQCI network, the largest and most heterogeneous quantum communications network ever developed in Europe to date.
Los canales de comunicación seguros usados hoy en día hacen uso de algoritmos criptográficos clásicos. La seguridad de estos algoritmos se basa en el enorme coste computacional que tiene la factorización de números de gran tamaño, lo que hace extremadamente improbable que sean rotos. Actualmente, no existe ningún algoritmo ejecutable en un ordenador clásico que sea capaz de resolver este problema en tiempo polinomial, pero los avances en el campo de la computación cuántica ponen en entredicho todo esto. Aunque aún está por demostrar un caso real de un ordenador cuántico rompiendo un algoritmo clásico, es solo cuestión de tiempo. Por estos motivos, entidades en sectores como el bancario, militar o gubernamentales están buscando alternativas para proteger sus datos. Una de las soluciones que se está explorando actualmente es la criptografía cuántica, que basa su seguridad en principios de la mecánica cuántica en vez de en problemas matemáticos. En concreto, la distribución de clave cuántica (QKD) es un conjunto de protocolos encargados de la generación de claves simétricas aleatorias entre dos puntos conectados por un canal cuántico. Las redes QKD nacen como respuesta a las limitaciones en alcance que actualmente tienen los enlaces cuánticos y se constituyen por una serie de nodos interconectados capaces de realizar QKD entre ellos. Debido al creciente interés en esta tecnología, organismos como el ETSI han comenzado con el proceso de creación de estándares como el ETSI GS QKD 004 en el cual se centra este trabajo. Este estándar define una API para el establecimiento de sesiones con calidad de servicio entre dos aplicaciones. El propósito de esta interfaz es el de proveer de claves simétricas QKD a las aplicaciones dentro de cada nodo de una red QKD. El objetivo de este trabajo es el análisis, evaluación y mejora del estándar para adaptarlo a nuevos casos de uso y hacerlo más competitivo con su homólogo el estándar ETSI GS QKD 014. Como parte de este trabajo también se desarrollará una implementación de referencia que estará disponible públicamente. Por último, esta implementación será integrada con la base de código usada en la red MadQCI, la red de comunicaciones cuánticas más grande y heterogénea jamás desarrollada en Europa hasta la fecha. --ABSTRACT-- The secure communication channels used today use classical cryptographic algorithms. The security of these algorithms is based on the enormous computational cost of factoring large numbers, which makes them extremely unlikely to be broken. Currently, there is no algorithm that can run on a classical computer that is capable of solving this problem in polynomial time, but advances in the field of quantum computing call all this into question. Although a real-life case of a quantum computer breaking a classical algorithm has yet to be demonstrated, it is only a matter of time. For these reasons, entities in sectors such as banking, military, and government are seeking alternatives to protect their data. One of the solutions currently being explored is quantum cryptography, which bases its security on principles of quantum mechanics rather than on mathematical problems. Specifically, quantum key distribution (QKD) is a set of protocols responsible for generating random symmetrical keys between two points connected by a quantum link. QKD networks emerged as a response to the current limitations in length of quantum links and are comprised of a series of interconnected nodes capable of performing QKD between them. Due to the growing interest in this technology, organizations such as ETSI have begun the process of creating standards, such as ETSI GS QKD 004, which is the focus of this work. This standard defines an API for establishing quality-ofservice sessions between two applications. The purpose of this interface is to provide symmetric QKD keys to applications within each node of a QKD network. The objective of this work is to analyze, evaluate, and improve the standard to adapt it to new use cases and make it more competitive with its counterpart, the ETSI GS QKD 014 standard. As part of this work, a reference implementation will also be developed and made publicly available. Finally, this implementation will be integrated with the codebase used in the MadQCI network, the largest and most heterogeneous quantum communications network ever developed in Europe to date.
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.
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.
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.
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 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".