Esta tesis abordó el problema de la multiplicación segura de datos cifrados, donde se requiere preservar la seguridad y la integridad de los datos, con este objetivo se propuso el diseño y validación de un modelo híbrido – clásico cuántico – el cual multiplica polinomios cifrados, parte fundamental del criptosistema homomórfico aproximado Cheon–Kim–Kim-Song (CKKS), fundamentado en el problema Ring Learning With Errors (RLWE). Asimismo, esta solución empleó convoluciones cuánticas mediante la Quantum Fourier Transform (QFT), para explorar sus propiedades de interferencia y superposición en el dominio cuántico criptográfico. Metodológicamente, el modelo se implementó mediante circuitos cuánticos simulados utilizando el framework Qiskit, en conjunto con la librería criptográfica Microsoft SEAL y el lenguaje Python, lo que permitió evaluar el comportamiento del modelo en un entorno mixto – clásico cuántico. Los resultados obtenidos demostraron que el producto calculado sobre datos cifrados mediante un criptosistema homomórfico cuántico corresponde – dentro de un margen de error acotado y controlado – al producto en texto plano, validando que el uso de técnicas cuánticas en un criptosistema clásico no afecta la seguridad de los datos y preserva la fidelidad algebráica. Durante la multiplicación cuántica, los datos permanecieron ininteligibles, accesibles unicamente por un usuario autorizado, lo que constituye un aporte relevante y escalable para el desarrollo de modelos de procesamiento seguro de datos en escenarios cuánticos.
Esta tesis abordó el problema de la multiplicación segura de datos cifrados, donde se requiere preservar la seguridad y la integridad de los datos, con este objetivo se propuso el diseño y validación de un modelo híbrido – clásico cuántico – el cual multiplica polinomios cifrados, parte fundamental del criptosistema homomórfico aproximado Cheon–Kim–Kim-Song (CKKS), fundamentado en el problema Ring Learning With Errors (RLWE). Asimismo, esta solución empleó convoluciones cuánticas mediante la Quantum Fourier Transform (QFT), para explorar sus propiedades de interferencia y superposición en el dominio cuántico criptográfico. Metodológicamente, el modelo se implementó mediante circuitos cuánticos simulados utilizando el framework Qiskit, en conjunto con la librería criptográfica Microsoft SEAL y el lenguaje Python, lo que permitió evaluar el comportamiento del modelo en un entorno mixto – clásico cuántico. Los resultados obtenidos demostraron que el producto calculado sobre datos cifrados mediante un criptosistema homomórfico cuántico corresponde – dentro de un margen de error acotado y controlado – al producto en texto plano, validando que el uso de técnicas cuánticas en un criptosistema clásico no afecta la seguridad de los datos y preserva la fidelidad algebráica. Durante la multiplicación cuántica, los datos permanecieron ininteligibles, accesibles unicamente por un usuario autorizado, lo que constituye un aporte relevante y escalable para el desarrollo de modelos de procesamiento seguro de datos en escenarios cuánticos.
Este trabajo presenta el diseño e implementación de modelos híbridos clásico-cuánticos para la predicción de ventas mediante la integración de redes neuronales LSTM y circuitos cuánticos, con el propósito de evaluar el impacto de la incorporación de procesamiento cuántico en tareas de predicción de series temporales, se utilizaron datos reales de ventas obtenidos de la plataforma Kaggle, planteando el problema como una tarea de predicción de ventas diarias a partir del comportamiento histórico de la serie. El proyecto se desarrolló en varias etapas que incluyeron el preprocesamiento de los datos, el diseño e implementación de un modelo LSTM clásico, la incorporación de tres arquitecturas híbridas basadas en Variational Quantum Circuits (VQC), Residual Hybrid y Quantum Long Short-Term Memory (QLSTM), y la comparación de su desempeño. Los modelos fueron implementados utilizando PyTorch y PennyLane, entrenados sobre los mismos conjuntos de datos y evaluados mediante las métricas de R cuadrado y el coeficiente de correlación de Pearson. Adicionalmente, las arquitecturas VQC y Residual Hybrid fueron ejecutadas en hardware cuántico de IBM, mientras que el modelo QLSTM fue evaluado mediante simulaciones con ruido utilizando Qiskit Aer. Los resultados obtenidos muestran que los modelos híbridos clásico-cuánticos constituyen una alternativa para explorar la integración de computación cuántica en tareas de predicción de series temporales, en los experimentos realizados, la arquitectura QLSTM obtuvo el mejor desempeño en la mayoría de los productos evaluados, obteniendo mejores resultados que las arquitecturas VQC y Residual Hybrid.
Este trabajo estudia el criptoanálisis diferencial de criptosistemas simétricos por bloques y su aceleración mediante computación cuántica. Se formalizan los conceptos de criptografía y criptoanálisis necesarios para describir el procedimiento de recuperación parcial de subclaves en funciones de cifrado por bloques iteradas y, en particular, se presenta este procedimiento para redes de sustitución-permutación (SPN). Se estudia la propagación probabilística de diferencias XOR a lo largo de las rondas de la función de cifrado, partiendo de pares de textos planos con una diferencia XOR de entrada fija y cuya primera componente se distribuye uniformemente. A partir de este análisis, el ataque diferencial clásico se formula mediante una función de conteo definida sobre el espacio de candidatas de subclave, siendo una presentación del procedimiento poco usual con respecto de su presentación habitual y adecuada para su posterior reformulación cuántica. Sobre esta formulación se construye un procedimiento basado en el algoritmo de búsqueda de mínimo/máximo de Dürr-Høyer que emplea subrutinas de conteo y búsqueda cuántica para acelerar la identificación de la candidata de subclave con mayor conteo. Se presentan los fundamentos necesarios para comprender los algoritmos utilizados, así como el análisis de su correctitud y de sus complejidades. Finalmente, se comparan las complejidades de datos, tiempo y memoria de los ataques clásico y cuántico, mostrando las mejoras obtenidas mediante el procesamiento cuántico. La exposición busca ser autocontenida, introduciendo progresivamente los conceptos matemáticos, criptográficos y cuánticos necesarios para el desarrollo y análisis de ambos procedimientos.
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.
Modelo Hibrido Clásico-Cuántico para identificación de personas a través de analisis de imágenes con computación cuántica 2Resumen: El reconocimiento facial se ha convertido en una herramienta cotidiana en ámbitos como la seguridad, el control de acceso y los sistemas biométricos.Sin embargo, los métodos, basados en redes neuronales profundas, muestran limitaciones de escalabilidad y eficiencia cuando se enfrentan a grandes volúmenes de datos (Schroff et al., 2015;Taigman et al., 2014).En este trabajo presentamos un modelo híbrido que combina el procesamiento clásico de imágenes con un circuito cuántico, implementado en la plataforma Amazon Braket.Nuestro enfoque extrae características faciales mediante una red MobileNetV2 preentrenada, las reduce y las alimenta a un clasificador que integra una capa cuántica de 4 qubits con puertas variacionales, siguiendo la filosofía de los enfoques híbridos propuestos por Farhi y Neven (2018).Los experimentos, realizados sobre un conjunto de datos sintético, muestran que el modelo híbrido alcanza una precisión del 97.5 %, mientras que un modelo clásico equivalente obtiene un 99.4 %.Aunque el modelo cuántico no supera al clásico en este escenario, su rendimiento es competitivo y demuestra la viabilidad de integrar computación cuántica en tareas de visión por computador en la era de los dispositivos cuánticos de escala intermedia con ruido (NISQ) (Preskill, 2018).Este estudio sienta las bases para futuras investigaciones con hardware cuántico real y destaca los retos actuales de interoperabilidad entre librerías cuánticas y clásicas.
Este proyecto de titulación se centra en la aplicación de la computación cuántica a través del entorno Qiskit, con el objetivo de analizar la seguridad criptográfica en relación con la comparación entre cifrados clásicos y cuánticos. El análisis se desarrolla mediante el estudio del espacio de búsqueda de claves en esquemas criptográficos simétricos, considerando escenarios de tamaño reducido que permiten evaluar su comportamiento bajo modelos de cómputo clásico y cuántico. Para el enfoque cuántico, se emplea el algoritmo de Grover, el cual es implementado en un simulador cuántico mediante la construcción de circuitos que incluyen la inicialización en superposición uniforme, el oráculo de fase para marcar el estado objetivo y el operador de difusión encargado de la amplificación de amplitudes. Las simulaciones se ejecutan para diferentes cantidades de iteraciones, lo que permite analizar la evolución de la probabilidad de éxito en función del tamaño del espacio de búsqueda y del número de repeticiones del algoritmo. Las ejecuciones se realizan utilizando una semilla fija, lo que garantiza la reproducibilidad de los resultados y facilita la comparación entre los valores teóricos y los obtenidos mediante simulación. Se registran las probabilidades asociadas al estado marcado, así como el crecimiento del tamaño del circuito cuántico conforme aumenta el número de iteraciones. Los escenarios analizados corresponden a registros de tres y cuatro qubits, lo que permite un análisis detallado del comportamiento del algoritmo. Finalmente, se incorpora la comparación con la búsqueda clásica en los mismos espacios de búsqueda, permitiendo establecer una referencia directa entre ambos enfoques y evidenciar la ventaja del algoritmo de Grover en términos de eficiencia.
La computación cuántica ha impulsado múltiples líneas de investigación en los últimos años, debido al interés conjunto de la comunidad científica y de la industria tecnológica en diseñar ordenadores cuánticos capaces de ejecutar circuitos con alta precisión. Como resultado, nuevos enfoques como el MBQC (computación cuántica basada en mediciones) han surgido como alternativas viables al modelo estándar de computación cuántica. De igual manera, empresas tecnológicas como Google o IBM continúan impulsando de manera sostenida el desarrollo del hardware para computación cuántica, logrando avances significativos como el procesador Heron de 156 cúbits de IBM o el chip Willow de Google para la corrección de errores cuánticos. En particular, la introducción de Qiskit como software libre, por parte de IBM, brinda a los usuarios la posibilidad de realizar experimentos de computación cuántica utilizando ordenadores cuánticos reales, lo que sugiere la importancia de Qiskit dentro de este campo. Por tal motivo, el objetivo de este trabajo es diseñar una plantilla en Python con Qiskit para aplicar el protocolo MQBC en diferentes circuitos y ejecutarlos en un ordenador cuántico de IBM. Esta plantilla se basa en el modelo One-Way, un enfoque particular del MQBC, aplicado a un clúster lineal de 4 cúbits, y utiliza técnicas como la Postselección, Reetiquetado y Tomografía cuántica para caracterizar los estados de salida generados. Con ello, se busca implementar 5 circuitos cuánticos correspondientes a diferentes configuraciones clústers lineales y bidimensionales, a partir del estado clúster lineal de 4 cúbits. Asimismo, se mostrarán los pasos para implementar un circuito que detalla una búsqueda cuántica de dos cúbits. Para verificar la validez de los resultados, se calculará la fidelidad para cada estado de salida, considerando los circuitos teóricos descritos en el paper Experimental One-Way Quantum Computing. Finalmente, para las configuraciones de clúster bidimensionales, se analizará el grado de entrelazamiento para confirmar la generación de estados entrelazados a partir de cúbits codificados inicialmente separables. En adición, esta tesis tiene como finalidad servir como documento de referencia para facilitar el aprendizaje de Qiskit en futuros trabajos de computación cuántica.