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.
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.
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 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.
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.
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.
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 principal del presente trabajo es analizar el impacto inminente del desarrollo de la computación cuántica sobre los modelos criptográficos asimétricos tradicionales, como RSA y ECC, sustentados en problemas matemáticos vulnerables a algoritmos cuánticos como Shor y Grover. Con este propósito, se propone, formula, desarrolla e implementa experimentalmente un nuevo modelo criptográfico asimétrico basado en principios de complejidad computacional cuántica, soportado en estructuras reticulares, no linealidad y perturbaciones controladas. El estudio adopta un enfoque interdisciplinario, experimental y cuantitativo, combinando Design Science Research Methodology (DSRM), Scrum, revisión sistemática de literatura (Kitchenham) y análisis estadístico avanzado. Implementado en un entorno reproducible en Python, y se evalúa mediante pruebas de benchmarking sobre tiempos de KeyGen, Encrypt y Decrypt con distintas dimensiones de retícula. Los resultados se analizan mediante ANOVA de un factor y modelos lineales, demostrando diferencias significativas entre dimensiones y una correlación lineal directa entre el tamaño del problema y el tiempo de ejecución, reflejada en altos valores de F, niveles de significación p extremadamente bajos y coeficientes de determinación elevados (R2 > 0,93). Además, el modelo se compara con RSA y ECC mediante la matriz de Holmes y se valida bajo el estándar ISO/IEC 25010 en funcionalidad, eficiencia y seguridad. Los resultados evidencian que el modelo propuesto es eficiente, estructuralmente seguro y con capacidad de reemplazar esquemas criptográficos clásicos en infraestructuras digitales críticas en un futuro cercano.