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.
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.
Este trabajo estudia el criptoanálisis diferencial de criptosistemas simétricos por bloques con funciones de cifrado iteradas y su aceleración mediante computación cuántica. Se analiza la propagación de diferencias XOR a través de las rondas, junto con el cálculo y la aproximación de las probabilidades diferenciales asociadas, y se presenta el procedimiento de recuperación parcial de subclaves para redes de sustitución-permutación (SPN), entre las que se encuentran AES y KLEIN. El ataque se formula mediante una función de conteo sobre el espacio de candidatas de subclave, siguiendo una presentación poco habitual, pero que facilita su reformulación cuántica. A partir de ella, 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 identificar una candidata de subclave con conteo máximo. Se analizan las complejidades de datos, tiempo y memoria de los procedimientos clásico y cuántico. Como complemento, se implementan el cálculo de tablas de distribución diferencial, la búsqueda de características diferenciales y el ataque clásico sobre esquemas SPN como versiones con un número reducido de rondas de AES y KLEIN. También se implementan las subrutinas cuánticas empleadas y se simula el procedimiento cuántico sobre instancias de SPN de tamaño reducido, debido a las limitaciones computacionales actuales. Los resultados del análisis de complejidad permiten contrastar ambos procedimientos y muestran las mejoras en complejidad temporal que puede proporcionar el procesamiento cuántico.
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.
El objetivo de este Trabajo de Fin de Máster es, comenzando desde los fundamentos de la Criptografía, presentar las principales familias de esquemas poscuánticos y realizar una comparativa señalando el estado actual de las mismas. En primer lugar, se presentará un capítulo introductorio que repasa los conceptos esenciales de la criptografía clásica, incluyendo cifrados simétricos y asimétricos. A continuación, se analizará el impacto de la computación cuántica en estos sistemas, exponiendo las vulnerabilidades de los algoritmos actuales frente a ataques como el de Shor y el de Grover. El trabajo presentará diferentes familias de algoritmos que, por su diseño, se cree que resisten ataques provenientes de un usuario con ordenador cuántico. Se estudiarán las construcciones basadas en problemas de retículos, criptografía basada en códigos, funciones hash y en curvas elípticas. Para cada una de estas familias, se analizarán sus fundamentos matemáticos, ventajas y desafíos, así como su viabilidad en implementaciones prácticas. Como conclusión, se realizará un pequeño estado del arte, comparando la viabilidad de las mismas y su potencial estandarización por organismos como el NIST.
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.
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.
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.