Diseño criptográfico basado en complejidad cuántica: Análisis comparativo como sustituto de estándares asimétricos en infraestructuras digitales críticas
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.
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.
La computación cuántica representa una innovadora frontera tecnológica con el potencial de revolucionar diversas áreas incluyendo la criptografía, que es esencial para garantizar la seguridad y privacidad de la información en el entorno digital actual. Este artículo presenta una revisión sistemática de la literatura (SLR) a través de la metodología Kitchenham acerca de la incidencia de la computación cuántica en los algoritmos criptográficos con el objetivo de recopilar información relevante de estudios relacionados la cual serán analizadas y comparadas para tener un mejor entendimiento general sobre el funcionamiento de los algoritmos criptográficos. Se realizaron filtros de búsqueda para la recopilación de información, se consideró en base al análisis de artículos científicos, trabajos de titulación de máster o doctorado, estudios e investigaciones realizados acerca de este tema. Los resultados de esta recopilación de estudios generaron preguntas significativas las cuales son respondidas mediante la resolución y categorización de estudios relevantes. Se concluye que, aunque la computación cuántica está en sus inicios de desarrollo puede tener un fuerte impacto que conlleva su progreso tecnológico, se deben tomar ciertas medidas de precaución y estándares al desarrollar algoritmos criptográficos para no vulnerar la seguridad de la información.
La aparición de la computación cuántica plantea una amenaza directa sobre los sistemas criptográficos actualmente desplegados, poniendo en riesgo la confidencialidad y autenticidad de la información. En tal contexto, la criptografía postcuántica surge como una alternativa diseñada para resistir ataques basados en ordenadores cuánticos, empleando como base problemas matemáticos considerados intratables incluso para este escenario. El objetivo de este trabajo es evaluar la viabilidad práctica de los algoritmos criptográficos de tipo postcuántico propuestos por el proceso de estandarización del NIST, comparándolos con algoritmos clásicos muy conocidos. Con tal fin, se ha llevado a cabo un análisis teórico del estado del arte y un estudio experimental basado en microbenchmarks criptográficos y pruebas sobre el protocolo TLS 1.3, usando implementaciones reales y plataformas hardware heterogéneas. La metodología empleada permite estudiar métricas relevantes como tiempos de ejecución, latencias o escalabilidad, tanto en operaciones atómicas como en escenarios de comunicación más amplios. Los resultados muestran que los algoritmos basados en retículos, como ML-KEM y ML-DSA, ofrecen un rendimiento competitivo frente a algoritmos clásicos con nivel de seguridad equivalente, de manera especial en hardware moderno. No obstante se observa un impacto significativo en dispositivos con recursos limitados y en el proceso de handshake TLS. Se concluye que este trabajo demuestra que la criptografía postcuántica es técnicamente viable en numerosos entornos reales, aunque su adopción debe abordarse de forma progresiva y contextualizada, considerando las limitaciones físicas y requisitos de cada sistema.
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.
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 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 criptografía cuántica emerge como un paradigma disruptivo en la seguridad informática, aprovechando los principios de la mecánica cuántica, como el entrelazamiento, la superposición y la no clonación, para garantizar confidencialidad y autenticación incondicional frente a amenazas clásicas y cuánticas. Este artículo explora los fundamentos matemáticos que sustentan los protocolos cuánticos (e.g., BB84, E91 y QHE), analizando su resistencia teórica frente a ataques basados en el algoritmo de Shor y la computación cuántica. Mediante una metodología dual (revisión sistemática de literatura y modelado teórico), se evalúan las limitaciones prácticas de implementación, como la decoherencia, los ataques por canales laterales y la escalabilidad en redes de distribución cuántica de claves (QKD). Los resultados destacan que, aunque protocolos como la criptografía homomórfica cuántica (QHE) y las redes de repetidores cuánticos prometen seguridad incluso en entornos con dispositivos realistas, su eficiencia depende críticamente de avances en óptica integrada y corrección de errores cuánticos. Asimismo, se discute el papel de la criptografía poscuántica (lattices, códigos basados en hash) como puente transicional ante la inminente obsolescencia de sistemas clásicos como RSA y ECC. La conclusión subraya la urgencia de estandarizar marcos híbridos (cuántico-clásicos) y políticas de migración, respaldados por colaboraciones globales, para asegurar infraestructuras críticas en la era cuántica. Este trabajo sintetiza el estado del arte, identificando brechas tecnológicas y proponiendo direcciones futuras para una adopción práctica y segura.