The proliferation of the Internet of Things and the expansion of the Computing Continuum toward the extreme edge have introduced unprecedented challenges in balancing computational performance, communication reliability, and energy autonomy. While current security standards rely on classical asymmetric cryptography, the emergence of practical quantum advantage poses a critical threat to the long-term integrity of these infrastructures. This doctoral thesis addresses the urgent need for quantum-resistant security in resource-constrained environments by characterizing the energy impact of Post-Quantum Cryptography on battery-powered Internet of Things nodes. A significant research gap was identified regarding the precise quantification of energy consumption when deploying National Institute of Standards and Technology-standardized Post-Quantum Cryptography algorithms at the extreme edge. To bridge this gap, this research proposes a dynamic context-aware, multi-level security framework designed for ARM Cortex-M4-based devices. The architecture integrates a custom-tailored communication protocol and a modular security engine that pivots between different post-quantum cryptographic schemes, specifically utilizing Advanced Encryption Standard-256 for symmetric encryption, Kyber Module-Lattice-Based Key-Encapsulation Mechanism for key encapsulation, and Falcon Fast Fourier Lattice-based Compact Signatures over NIST-curves for digital signatures. The methodology involved an extensive experimental campaign consisting of multiple experiments of continuous energy characterization. By analyzing 160 unique samples across four operational scenarios with transmission intervals ranging from 60 to 5 seconds and four security tiers, the research quantifies the trade-offs between cryptographic security and battery life. The results provide an empirical baseline for the energy cost of quantum resilience, demonstrating the feasibility of Post-Quantum Cryptography at the extreme edge through optimized key rotation and Energy-Aware Security strategies. Finally, this Thesis was developed under an Industrial Doctorate collaboration with the company Métodos y Tecnología de Sistemas y Procesos (MTP) within the SecBluRed project. Due to the proprietary nature of this collaboration and the associated Non-Disclosure Agreements, the source code generated during this research is not publicly available. The findings not only contribute to the academic state-of-the-art but also offer actionable design guidelines for the industry, ensuring that future Industrial Internet of Things and smart city infrastructures remain secure against quantum threats without compromising their operational longevity. This work has been recognized with the Industrial Mention, highlighting its strategic value for the transfer of high-assurance cybersecurity knowledge to the private sector. RESUMEN La proliferación del Internet de las Cosas (Internet of Things) y la expansión del Computing Continuum hacia el extreme edge han introducido desafíos sin precedentes para equilibrar el rendimiento computacional, la fiabilidad de las comunicaciones y la autonomía energética. Mientras que los estándares de seguridad actuales dependen de la criptografía asimétrica clásica, la aparición de la ventaja cuántica práctica plantea una amenaza crítica para la integridad a largo plazo de estas infraestructuras. Esta tesis doctoral aborda la necesidad urgente de seguridad resistente a ataques cuánticos en entornos de recursos limitados, caracterizando el impacto energético de la Criptografía Post-Cuántica en nodos del Internet de las Cosas alimentados por batería. Se ha identificado una brecha de investigación significativa en cuanto a la cuantificación precisa del consumo de energía al desplegar algoritmos de Criptografía Post-Cuántica estandarizados por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (National Institute of Standards and Technology) en el extreme edge. Para cerrar esta brecha, esta investigación propone un marco de seguridad multinivel dinámico diseñado para dispositivos basados en ARM Cortex-M4. La arquitectura integra un protocolo de comunicación adaptado y un motor de seguridad modular que pivota entre regímenes de Advanced Encryption Standard-256 clásico y post-cuántico, utilizando específicamente Kyber (Module-Lattice-Based Key-Encapsulation Mechanism) para el encapsulamiento de claves y Falcon (Fast Fourier Lattice-based Compact Signatures over NIST-curves) para firmas digitales. La metodología consistió en una extensa campaña experimental que comprende múltiples experimentos que permiten caracterizar el consumo energético de manera continua. Mediante el análisis de 160 muestras únicas en cuatro escenarios operativos con intervalos de transmisión de entre 60 y 5 segundos y cuatro niveles de seguridad, la investigación cuantifica el compromiso entre el rigor criptográfico y la vida útil de la batería. Los resultados proporcionan una base empírica para el coste energético de la resiliencia cuántica, demostrando la viabilidad de la Criptografía Post-Cuántica en el extreme edge mediante rotación de claves optimizada y estrategias de seguridad basadas en la energía (Energy-Aware Security). Finalmente, esta Tesis se ha desarrollado bajo un marco de Doctorado Industrial en colaboración con la empresa Métodos y Tecnología de Sistemas y Procesos (MTP) dentro del proyecto SecBluRed. Debido a la naturaleza propietaria de esta colaboración y a los correspondientes Acuerdos de Confidencialidad (Non-Disclosure Agreements), el código fuente generado no está disponible de forma pública. Los hallazgos no solo contribuyen al estado del arte académico, sino que también ofrecen directrices de diseño accionables para la industria, garantizando que las futuras infraestructuras del Internet de las Cosas Industrial y ciudades inteligentes permanezcan seguras frente a amenazas cuánticas sin comprometer su longevidad operativa. Este trabajo ha sido reconocido con la Mención Industrial, destacando su valor estratégico para la transferencia de conocimiento en ciberseguridad de alta garantía al sector privado.
The proliferation of the Internet of Things and the expansion of the Computing Continuum toward the extreme edge have introduced unprecedented challenges in balancing computational performance, communication reliability, and energy autonomy. While current security standards rely on classical asymmetric cryptography, the emergence of practical quantum advantage poses a critical threat to the long-term integrity of these infrastructures. This doctoral thesis addresses the urgent need for quantum-resistant security in resource-constrained environments by characterizing the energy impact of Post-Quantum Cryptography on battery-powered Internet of Things nodes. A significant research gap was identified regarding the precise quantification of energy consumption when deploying National Institute of Standards and Technology-standardized Post-Quantum Cryptography algorithms at the extreme edge. To bridge this gap, this research proposes a dynamic context-aware, multi-level security framework designed for ARM Cortex-M4-based devices. The architecture integrates a custom-tailored communication protocol and a modular security engine that pivots between different post-quantum cryptographic schemes, specifically utilizing Advanced Encryption Standard-256 for symmetric encryption, Kyber Module-Lattice-Based Key-Encapsulation Mechanism for key encapsulation, and Falcon Fast Fourier Lattice-based Compact Signatures over NIST-curves for digital signatures. The methodology involved an extensive experimental campaign consisting of multiple experiments of continuous energy characterization. By analyzing 160 unique samples across four operational scenarios with transmission intervals ranging from 60 to 5 seconds and four security tiers, the research quantifies the trade-offs between cryptographic security and battery life. The results provide an empirical baseline for the energy cost of quantum resilience, demonstrating the feasibility of Post-Quantum Cryptography at the extreme edge through optimized key rotation and Energy-Aware Security strategies. Finally, this Thesis was developed under an Industrial Doctorate collaboration with the company Métodos y Tecnología de Sistemas y Procesos (MTP) within the SecBluRed project. Due to the proprietary nature of this collaboration and the associated Non-Disclosure Agreements, the source code generated during this research is not publicly available. The findings not only contribute to the academic state-of-the-art but also offer actionable design guidelines for the industry, ensuring that future Industrial Internet of Things and smart city infrastructures remain secure against quantum threats without compromising their operational longevity. This work has been recognized with the Industrial Mention, highlighting its strategic value for the transfer of high-assurance cybersecurity knowledge to the private sector. RESUMEN La proliferación del Internet de las Cosas (Internet of Things) y la expansión del Computing Continuum hacia el extreme edge han introducido desafíos sin precedentes para equilibrar el rendimiento computacional, la fiabilidad de las comunicaciones y la autonomía energética. Mientras que los estándares de seguridad actuales dependen de la criptografía asimétrica clásica, la aparición de la ventaja cuántica práctica plantea una amenaza crítica para la integridad a largo plazo de estas infraestructuras. Esta tesis doctoral aborda la necesidad urgente de seguridad resistente a ataques cuánticos en entornos de recursos limitados, caracterizando el impacto energético de la Criptografía Post-Cuántica en nodos del Internet de las Cosas alimentados por batería. Se ha identificado una brecha de investigación significativa en cuanto a la cuantificación precisa del consumo de energía al desplegar algoritmos de Criptografía Post-Cuántica estandarizados por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (National Institute of Standards and Technology) en el extreme edge. Para cerrar esta brecha, esta investigación propone un marco de seguridad multinivel dinámico diseñado para dispositivos basados en ARM Cortex-M4. La arquitectura integra un protocolo de comunicación adaptado y un motor de seguridad modular que pivota entre regímenes de Advanced Encryption Standard-256 clásico y post-cuántico, utilizando específicamente Kyber (Module-Lattice-Based Key-Encapsulation Mechanism) para el encapsulamiento de claves y Falcon (Fast Fourier Lattice-based Compact Signatures over NIST-curves) para firmas digitales. La metodología consistió en una extensa campaña experimental que comprende múltiples experimentos que permiten caracterizar el consumo energético de manera continua. Mediante el análisis de 160 muestras únicas en cuatro escenarios operativos con intervalos de transmisión de entre 60 y 5 segundos y cuatro niveles de seguridad, la investigación cuantifica el compromiso entre el rigor criptográfico y la vida útil de la batería. Los resultados proporcionan una base empírica para el coste energético de la resiliencia cuántica, demostrando la viabilidad de la Criptografía Post-Cuántica en el extreme edge mediante rotación de claves optimizada y estrategias de seguridad basadas en la energía (Energy-Aware Security). Finalmente, esta Tesis se ha desarrollado bajo un marco de Doctorado Industrial en colaboración con la empresa Métodos y Tecnología de Sistemas y Procesos (MTP) dentro del proyecto SecBluRed. Debido a la naturaleza propietaria de esta colaboración y a los correspondientes Acuerdos de Confidencialidad (Non-Disclosure Agreements), el código fuente generado no está disponible de forma pública. Los hallazgos no solo contribuyen al estado del arte académico, sino que también ofrecen directrices de diseño accionables para la industria, garantizando que las futuras infraestructuras del Internet de las Cosas Industrial y ciudades inteligentes permanezcan seguras frente a amenazas cuánticas sin comprometer su longevidad operativa. Este trabajo ha sido reconocido con la Mención Industrial, destacando su valor estratégico para la transferencia de conocimiento en ciberseguridad de alta garantía al sector privado.
The main motivation of this thesis is the uncertain panorama of cybersecurity risks and threats, accentuated by the arrival of the quantum computer. This type of computer is completely disruptive, since its operation is governed by quantum mechanical phenomena. The implementation of Shors algorithm in a quantum computer with relevant size and performance will allow breaking the security of the most currently used pre-quantum asymmetric algorithms. This panorama makes it necessary to research new cryptographic paradigms that are resistant to quantum threats. Thus, quantum and post-quantum cryptography emerge. Several national security agencies are recommending the immediate migration to quantum-resistant solutions of vulnerable critical cryptosystems, mainly by implementing post-quantum algorithms, some of them recently standardized. Quantum cryptography bases its security on the same physical foundations as quantum computers, being independent of the computational capacity of an adversary. The implementation of solutions based on quantum cryptography still requires greater technological maturity, development of standards and certification of devices. In addition, the infrastructures necessary for these networks are expensive and difficult to scale, in their current conception, due to the need to have trusted intermediate nodes. However, the rapid advances in this field allow to further research quantum communications networks to be a reality for daily operations where a high level of security is required. The main objective of this thesis is to investigate quantum cryptography-based solutions that go beyond quantum key distribution (QKD). The thesis has focused on proposing two novel cryptographic mechanisms ensuring that the new protocols are comparable in efficiency with pre-quantum and post-quantum algorithms. Furthermore, it has been taken into account that these protocols are implementable in current quantum communications infrastructures (QCI) to maximize the technical benefit of the investments carried out for these deployments. As a result, a quantum-assisted digital signature protocol (Q-DS) and a quantum zero-knowledge proof (QZKP) have been proposed, analyzed and implemented, which combine symmetric pre-quantum mechanisms with QKD. The proposed quantum-assisted digital signature protocol avoids the use of vulnerable pre- quantum public-key cryptosystems, using symmetric keys generated by QKD and using them with widely known NIST-approved hash functions, giving rise to a composite cryptosystem whose security against various attacks is demonstrated. For its part, the proposed quantum zero-knowledge proof allows the authentication of users in a QCI without revealing personal information during the process. The proposal of a quantum version of ZKP has been done in this thesis for the very first time, without precedent in the literature. A theoretical study as well as experimental tests have been carried out, resulting in a secure and efficient authentication mechanism. Finally, given the industrial nature of this thesis, the evolution of the political panorama regarding quantum technologies and PQC have been closely followed, including the positions of relevant security-oriented organizations and economic investments for project funding. These issues, although not technical, have influenced the design of the cryptographic protocols proposed in this thesis. RESUMEN La principal motivación de esta tesis es el panorama incierto de los riesgos y amenazas de ciberseguridad, acentuado por la llegada del ordenador cuántico. Este tipo de ordenadores son completamente disruptivos, ya que su funcionamiento se rige por fenómenos mecánico-cuánticos. La implementación del algoritmo de Shor en un ordenador cuántico con tamaño y rendimiento relevantes permitirá romper la seguridad de los algoritmos asimétricos pre-cuánticos más utilizados actualmente. Este panorama hace necesario investigar nuevos paradigmas criptográficos que sean resistentes a las amenazas cuánticas. Así, surgen la criptografía cuántica y post-cuántica. Varias agencias de seguridad nacional han recomendado la migración inmediata de los criptosistemas críticos vulnerables a soluciones "quantum-resistant", principalmente mediante la implementación de algoritmos post-cuánticos, algunos de ellos recientemente estandarizados. La criptografía cuántica basa su seguridad en los mismos fundamentos físicos que los ordenadores cuánticos, siendo independiente de la capacidad computacional de un adversario. La implementación de soluciones basadas en criptografía cuántica aún requiere de mayor madurez tecnológica, desarrollo de estándares y certificación de dispositivos. Además, las infraestructuras necesarias para estas redes son costosas y difíciles de escalar, en su concepción actual, debido a la necesidad de contar con nodos intermedios de confianza. Sin embargo, los rápidos avances en este campo permiten que la investigación de las redes de comunicaciones cuánticas se vaya convirtiendo en una realidad para las operaciones diarias donde se requiere un alto nivel de seguridad. El objetivo principal de esta tesis es investigar soluciones basadas en criptografía cuántica que vayan más allá de la distribución de claves cuánticas (QKD). La tesis se ha centrado en proponer dos mecanismos criptográficos novedosos asegurando que los nuevos protocolos sean comparables en eficiencia con algoritmos pre-cuánticos y post-cuánticos. Además, se ha tenido en cuenta que estos protocolos sean implementables en las actuales infraestructuras de comunicaciones cuánticas (QCI) para maximizar el beneficio técnico de las inversiones realizadas para estos despliegues. Como resultado, se han propuesto, analizado e implementado un protocolo de firma digital asistido por claves cuánticas (Q-DS) y una prueba de conocimiento cero cuántica (QZKP), que combinan mecanismos pre-cuánticos simétricos con QKD. El protocolo de firma digital cuántica propuesto evita el uso de criptosistemas de clave pública pre-cuánticos vulnerables, utilizando claves simétricas generadas por QKD y utilizándolas con funciones hash ampliamente conocidas aprobadas por el NIST, dando lugar a un criptosistema compuesto cuya seguridad frente a diversos ataques se demuestra. Por su parte, la QZKP propuesta permite la autenticación de usuarios en una QCI sin revelar información personal durante el proceso. La propuesta de una versión cuántica de ZKP se ha realizado en esta tesis por primera vez, sin precedentes en la literatura. Se ha realizado un estudio teórico así como pruebas experimentales, dando como resultado un mecanismo de autenticación seguro y eficiente. Finalmente, dada la naturaleza industrial de esta tesis, se ha seguido de cerca la evolución del panorama político en relación con las tecnologías cuánticas y PQC, incluyendo las posiciones de las organizaciones relevantes en materia de seguridad y las inversiones económicas para la financiación de proyectos. Estas cuestiones, aunque no técnicas, han influido en el diseño de los protocolos criptográficos propuestos en esta tesis.
The rapidly increasing number of Internet of Things devices and the forthcoming arrival of quantum computing is imposing the transition to new quantum-resistant cryptography in constrained-resources devices. However, the energy impact of post-quantum cryptography on wireless sensor networks, critical to battery life and network up-time, remains largely unquantified. In this paper, this gap is addressed by evaluating the energy impact of standardized post-quantum cryptography CRYSTALS-Kyber and FALCON on extreme edge Internet of Things devices. In this work a new energy aware multilevel security framework over Contiki-NG has been developed and tested on extreme edge nodes based on EFR32MG12 Cortex-M4 System-on-Chip. This work provides energy consumption data measured in four different operational scenarios during one-hour experiments, allowing to estimate the impact on battery lifetime for four different battery capacities: 125, 225, 500 and 1000 mAh. The results presented in this work demonstrate that while the highest security level offers post-quantum confidentiality and integrity incurs in measurable costs, leading to a maximum lifetime reduction lower than 1% in the experiments with FALCON being identified as the dominant contributor to energy consumption related to post-quantum cryptography. At intermediate security levels, only post-quantum confidentiality using CRYSTALS-Kyber can be achieved at considerably lower energy costs. This study provides quantitative evidence supporting the feasibility of deploying post-quantum cryptography in resource-constrained wireless sensor networks through a novel energy-aware approach, offering crucial data for designing secure and sustainable quantum-resistant Internet of Things systems.
The rise of quantum computing threatens traditional cryptographic systems, driving the urgent adoption of PQC algorithms for securing IoT and edge computing environments. However, selecting an optimal PQC scheme remains challenging due to trade-offs between security strength, computational efficiency, and scalability in real-world deployments. While algorithms like CRYSTALS-Kyber, CRYSTALS-Dilithium, and SPHINCS+ offer quantum resilience. These suffer from processing overhead, high energy consumption, and limited adaptability, hindering their seamless integration into latency-sensitive and resource-constrained IoT networks. In this study, we conduct a comprehensive and systematic performance evaluation of these PQC algorithms within the context of IoT-based cryptographic scheduling workflows, assessing critical efficiency parameters such as encryption/decryption time, execution speed, system latency, energy efficiency, and scalability under varying processing loads and batch sizes. Our analysis reveals that CRYSTALS-Kyber consistently outperforms its counterparts, demonstrating superior computational efficiency, minimal processing delays, and lower power consumption while maintaining high-security resilience against quantum adversaries. Additionally, we propose a dynamic cryptographic scheduling approach, optimizing the balance between security levels and computational resource allocation, ensuring efficient cryptographic task management in large-scale IoT networks. This research provides a foundation for the practical deployment and standardization of PQC in next-generation cryptographic architectures, enabling the seamless transition from classical to quantum-secure cryptographic frameworks. The insights gained from this study are pivotal for advancing cryptographic scheduling models, enhancing security efficiency in real-time IoT operations, and driving the global adoption of PQC algorithms for future-proof digital security infrastructures.
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.
Los sistemas de Internet of Things han crecido mucho en los últimos años, siendo una de las tecnologías más prometedoras en lo que al avance de la Industria 4.0 se refiere. Sin embargo, desde sus comienzos han presentado múltiples vulnerabilidades en su seguridad, facilitando la aparición de ciberataques cuya finalidad iba desde el robo de datos hasta la manipulación del propio comportamiento de la red. La gran variedad de soluciones propuestas ha permitido obtener una protección de las capas inferiores de la infraestructura de Internet of Things en el corto y medio plazo, pero los recientes avances en la construcción de los ordenadores cuánticos han vuelto a poner el foco sobre los problemas de seguridad asociados. Concretamente, ciertos algoritmos cuánticos ponen en jaque los fundamentos matemáticos de los esquemas de criptografía asimétrica más extendidos por el mundo, lo que ha llevado al desarrollo de nuevas alternativas que cubran las necesidades de seguridad futuras. Es fundamental que estas nuevas propuestas se estudien dentro del ámbito de Internet of Things, con el fin de que no vuelvan a surgir los agujeros de seguridad iniciales. Este trabajo comienza realizando una introducción sobre los motivos por los que los nodos de Internet of Things carecen de seguridad, así como una breve explicación sobre el creciente interés en el desarrollo de la computación cuántica y por qué se considera una amenaza potencial para la ciberseguridad. Se mencionan también las distintas soluciones posibles según la tecnología accesible, dividiéndose en tres grandes categorías: criptografía cuántica, semi-cuántica y post-cuántica. La última de ellas, centrada en algoritmos que pueden ser ejecutados por ordenadores clásicos, será la candidata ideal para implementarse en los nodos de las redes inalámbricas de sensores. Posteriormente, se detallan los algoritmos cuánticos que comprometen los estándares de seguridad actuales, siendo los principales el algoritmo de Grover en el caso de la criptografía simétrica, y el algoritmo de Shor en el caso asimétrico. Las conclusiones sobre el impacto de estos algoritmos sobre los distintos estándares, permitirán posteriormente tomar decisiones en las propuestas de seguridad al final del trabajo. Una vez desarrollada la problemática, se estudian las distintas familias de criptosistemas post-cuánticos que se están proponiendo como solución, a la vez que se exponen los diferentes problemas matemáticos sobre los que se construyen. Una búsqueda en detalle sobre las implementaciones previas llevadas a cabo en sistemas embebidos, así como los resultados de las distintas fases en el proceso de estandarización del National Institute of Standards and Technology, permitirán profundizar sobre la viabilidad de aplicar algunos de estos criptosistemas a Internet of Things, y enfocar los siguientes pasos en alguno de los mejores candidatos. Tras la elección del criptosistema NTRU, se procede a describir su funcionamiento dividiéndolo en las tres partes más importantes: generación de las claves pública y privada, cifrado y descifrado. Todos los algoritmos descritos serán implementados mediante el diseño de una biblioteca de código, el cual en su mayor parte se ha escrito en lenguaje C estándar para facilitar la portabilidad entre sistemas. El funcionamiento del mismo será verificado tras ejecutar el criptosistema sobre los nodos Cookie, una plataforma para el desarrollo de redes de Internet of Things diseñada en el propio Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid. Esta verificación vendrá acompañada de pruebas experimentales sobre los tiempos de ejecución de los distintos algoritmos involucrados, así como de la caracterización estadística de los resultados obtenidos, estimando el impacto del criptosistema sobre un proceso de comunicación genérico entre dos nodos. Finalmente, se propondrá la mejora del rendimiento de la red bajo la premisa de que la versión de AES con longitud de clave de 256 bits presenta un buen nivel de seguridad post-cuántica, fundamentada principalmente en los estudios sobre los ataques cuánticos previamente citados. La combinación de NTRU y AES con un mecanismo de encapsulación de clave, permitirán mejorar la dinámica de las comunicaciones, reduciendo el tiempo de ejecución de los algoritmos de cifrado en el intercambio de mensajes. Los resultados obtenidos en el cierre del trabajo permitirán definir las pautas a seguir en futuras líneas de investigación, abriendo la posibilidad de que se estudien las diferentes ventajas y desventajas que pueden surgir de implementar en hardware distintas partes del criptosistema empleado, y determinando qué otras alternativas post-cuánticas podrían dar mejores resultados en el paso de un esquema de criptografía simétrica a un cifrado simétrico.
Public-key cryptographic algorithms such as RSA and Elliptic Curve Cryptography (ECC) may become vulnerable once large-scale quantum computersand quantum chips become practical for real-world infrastructure and commercial deployment. To address this risk, Post-Quantum Cryptography (PQC)introduces cryptographic methods designed to resist quantum-based attacks.However, these mechanisms often require more processing power, bandwidth,and energy, which creates challenges for constrained IoT and Industrial IoT(IIoT) devices.This thesis introduces the Quantum Encryption Resilience Score (QERS), asystem-level evaluation framework designed to quantify the operational impactof post-quantum cryptographic deployment across embedded systems and networked environments. Instead of concentrating only on cryptographic accuracy,QERS integrates multiple performance dimensions, including latency, CPUutilization, energy consumption, signal strength (RSSI), and cryptographicoverhead into a unified and normalized score. A Design Science Research methodology is employed to design, implement, and evaluate the QERS frameworkusing four heterogeneous ESP-based microcontroller platforms. Experimentalevaluation is conducted using HTTP and HTTPS communication over Wi-Fi,incorporating post-quantum cryptographic configurations based on Kyber andML-DSA.The results demonstrate that post-quantum cryptographic mechanisms introduce measurable latency amplification and variability across devices, with cleardifferences in performance and stability depending on hardware capability.QERS enables systematic, cross device comparison of these effects, revealingcritical trade-offs between cryptographic strength and operational performance.The findings confirm that latency is the dominant factor influencing systemresilience, while CPU and energy contribute secondary effects. By integratingcryptographic, system, and network-level metrics into a single evaluative construct, this work provides a structured and reproducible approach for assessingresilience in post-quantum secure embedded and IoT infrastructures.