[ES] El objetivo del trabajo es desarrollar un simulador con interfaz visual, basado en software libre, para el análisis de sistemas de distribución cuántica de claves (QKD) utilizando el protocolo BB84 basado en la polarización de fotones en dos bases. La herramienta permitirá evaluar el comportamiento del sistema bajo distintas condiciones de operación. A partir de los resultados obtenidos, se estimarán parámetros clave como la tasa de error cuántico (QBER), la tasa de clave segura y la tasa de detección. Asimismo, se incorporará el análisis del impacto de un posible espía (Eve) sobre la transmisión de la clave. Finalmente, el simulador tendrá una doble finalidad -como herramienta de diseño de sistemas QKD y como recurso docente-, generando representaciones gráficas tanto temporales como estadísticas que faciliten la interpretación y el análisis de los resultados.
[ES] El objetivo del trabajo es desarrollar un simulador con interfaz visual, basado en software libre, para el análisis de sistemas de distribución cuántica de claves (QKD) utilizando el protocolo BB84 basado en la polarización de fotones en dos bases. La herramienta permitirá evaluar el comportamiento del sistema bajo distintas condiciones de operación. A partir de los resultados obtenidos, se estimarán parámetros clave como la tasa de error cuántico (QBER), la tasa de clave segura y la tasa de detección. Asimismo, se incorporará el análisis del impacto de un posible espía (Eve) sobre la transmisión de la clave. Finalmente, el simulador tendrá una doble finalidad -como herramienta de diseño de sistemas QKD y como recurso docente-, generando representaciones gráficas tanto temporales como estadísticas que faciliten la interpretación y el análisis de los resultados.
En esta Tesis se presentan los resultados de implementaciones ópticas de algoritmoscuánticos, orientadas a protocolos de comunicación y procesamiento cuántico de la información. En particular, se estudiaron algoritmos cuánticos basados en entrelazamiento y se analizó la interacción del sistema cuántico en cuestión con distintos entornos ruidosos. Estas investigaciones se realizaron en forma mixta, tanto experimental como teórica, contemplando etapas de interacción del sistema con entornos controlados. Se realizaron experimentos de teleportación cuántica y distribución cuántica de claves (QKD), con el propósito de ganar experiencia en la manipulación y control de sistemas cuánticos. A partir de estos experimentos, se demostraron algoritmos eficientes y robustos ante entornos ruidosos que generan decoherencia en el recurso entrelazado. Para llevar a cabo estos experimentos, se desarrolló una fuente de pares de fotones entrelazados en polarización, basada en el proceso de conversión paramétrica descendente. La utilización de fotones como recurso físico permite la codificación de qubits en diversos grados de libertad de los mismos. En los experimentos realizados en esta Tesis, a partir de un único fotón se codificaron dos qubits en los grados de libertad de polarización y momento lineal del mismo. Para representar la interacción del sistema con un entorno local, se utilizaron los dos grados de libertad de polarización y camino para representar el sistema y el entorno, respectivamente. Estas interacciones se producen en arreglos experimentalesbasados en óptica lineal. Los arreglos experimentales diseñados e implementados permitieron un estudio versátil de los distintos protocolos propuestos, y un control sistemático de los entornos. Se estudiaron las condiciones para las cuales la dinámica del sistema era robusta frente al ruido y la acción del mismo sobre el desempeño de estos protocolos. En particular se realizó un estudio de la eficiencia del protocolo de teleportación bajo distintos tipos e intensidades de interacción con un entorno, pudiendo obtener condiciones para las cuales el sistema presenta baja sensibilidad a ciertos tipos de ruido. Asimismo, para el caso de distribución cuántica de claves, la interacción del sistema con el entorno nos permitiómodelar la acción de un espía y estudiar la seguridad de protocolos de QKD. La evolución de los sistemas cuánticos inducida por la interacción con entornos locales genera decoherecia, afectando el grado de entrelazamiento inicial y su utilización como recurso cuántico. Se estudiaron entonces distintas condiciones de ruido cuántico y su efecto sobre el entrelazamiento de un sistema, obteniendo una relación entre la "muerte del entrelazamiento" y canales efectivos capaces de romper completamente el entrelazamiento, para sistemas de dos qubits. Estos resultados permitieron anticipar qué estados pueden sufrir muerte del entrelazamiento o no para una dada evolución. Conocer de antemano el estado inicial y/o el canal cuántico que afecta el recurso entrelazado permite elegir demanera óptima los parámetros necesarios para un procesamiento cuántico eficiente de la información. La base de todos los experimentos realizados es una fuente de pares de fotones entrelazados y un arreglo óptico confiable y versátil basado en óptica lineal. El control sobre los estados fotónicos generados se realiza interferométricamente y en polarización. El dominio de estas técnicas de control de estados cuánticos es un resultado en sí mismo y el arreglo experimental desarrollado se presenta como una plataforma robusta para el estudio de la dinámica de procesos cuánticos. A modo de síntesis, entendemos que en el desarrollo de esta Tesis de Doctorado secumplieron los dos objetivos propuestos: por un lado estudiar la influencia de procesos de decoherencia e interacción con entornos en la eficiencia de algoritmos de información cuántica y por otro desarrollar herramientas ópticas para el estudio e implementación eficiente de estos algoritmos.
Esta tesis se centra en el estudio de la aplicabilidad que dos disciplinas, la fotónica de microondas (MWP) y las comunicaciones cuánticas, pueden aportar en el desarrollo de nuevos sistemas de distribución de clave cuántica (QKD). El objetivo principal es el análisis y la validación experimental de sistemas QKD en la técnica de codificación en frecuencia (FC-QKD), por medio de distintas configuraciones de moduladores. Los sistemas FC-QKD permiten la incorporación de técnicas de multiplexación empleadas en MWP, por ello, se presenta un sistema basado en multiplexación de la subportadora (SCM) y multiplexación en longitud de onda (WDM) que permite la correcta distribución de claves mediante el protocolo BB84. Los sistemas SCM-QKD presentan algunas ventajas como su alta eficiencia espectral y la posibilidad de compartir una única fuente para todos los canales. Esto reduce considerablemente la complejidad del sistema y permite incorporar la técnica WDM aumentando el número de claves que se transmiten paralelamente y transmitiendo la informacióon de estas junto a canales clásicos sobre la misma fibra óptica.\nPara entender las funcionalidades de los sistemas FC-QKD se ha realizado un análisis teórico, que permite obtener expresiones para la tasa de error de bit (QBER) y la tasa de transmisión de clave, teniendo en cuenta los diferentes factores limitantes de los sistemas SCM-QKD, incluyendo la dispersión de la fibra y los efectos de intermodulación. Complementando este análisis teórica, se desarrolla diferentes esquemas experimentales en el laboratorio para evaluar la viabilidad experimental de este tipo de estructuras y tecnologías para su uso en sistemas QKD. Finalmente se presenta un sistema con cuatro canales independientes consiguiéndose una tasa de bit en crudo de 10 kb/s por canal, con un QBER por debajo del 2% y un enlace de 11 km. Estos resultados abren el camino para el uso de estos sistemas QKD en redes ópticas.
Este Trabajo de Fin de Grado explora la implementación y análisis del protocolo BB84 de distribución cuántica de claves, integrando fundamentos teóricos de la mecánica cuántica con un desarrollo experimental en entornos de simulación y hardware cuántico real. El documento aborda, en primer lugar, los principios físicos esenciales para la seguridad de las comunicaciones, incluyendo fenómenos como el entrelazamiento, la superposición y la medición cuántica, así como los retos y ventajas que estas propiedades ofrecen frente a la criptografía clásica. Posteriormente, se presenta el estado del arte de la distribución cuántica de claves y de los sistemas cuánticos actuales, detallando arquitecturas, implementaciones y desarrollos recientes. En la parte experimental, se diseña y construye un circuito cuántico que implementa el protocolo BB84, incorporando las fases de generación de bits aleatorios, transmisión, recepción y detección de intentos de espionaje. Se realizan simulaciones parametrizadas con modelos de ruido realistas y se ejecutan pruebas en un procesador cuántico de IBM, evaluando el impacto de la tasa de error cuántico (Quantum Bit Error Rate (QBER)) sobre el éxito del protocolo.
[ES] Para los sistemas modernos de telecomunicaciones, es necesario cifrar la información que viaja a través del canal para evitar que agentes externos accedan, alteren o almacenen el mensaje. La distribución de las llaves que tanto Alice como Bob necesitan obtener para cifrar y descifrar el mensaje presenta un cambio de paradigma debido a los avances significativos en las aplicaciones de la Información Cuántica. Este proyecto es un estudio de la Distribución de Claves Cuánticas como una solución a la inminente falta de seguridad en la distribución de claves, definiendo sus bases teóricas, problemas de implementación y evaluando su rendimiento a través de simulaciones en MATLAB. El trabajo considera dos casos para comparar: el caso de un protocolo BB84 ideal que explota fuentes de fotones individuales, y un caso práctico de estado señuelo, utilizando láseres atenuados, ambos teniendo en cuenta dos detectores diferentes, un fotodiodo de avalancha de fotones individuales y un detector superconductor de fotones individuales.
Este trabajo tiene como objetivo el estudio del protocolo BB84 de distribución cuántica de claves desde un punto de vista matemático y computacional. Para ello, en primer lugar se revisan los fundamentos teóricos necesarios, estableciendo la conexión entre la teoría cuántica y la teoría de espacios de Hilbert, con especial atención al teorema de representación de Riesz y a la formalización del concepto de qubit. Posteriormente, se describe de forma detallada el esquema del protocolo, introduciendo la noción de canal cuántico como herramienta para modelar el ruido en escenarios más realistas, así como algunos de los canales más relevantes, entre ellos el canal de despolarización, el de decaimiento y el de cambio de fase. A continuación, se analiza el comportamiento del protocolo frente a estos canales de ruido, evaluando su efecto sobre la tasa de error cuántico (QBER). Asimismo, se estudia la influencia de posibles ataques externos, en particular la estrategia intercept–resend, con el fin de cuantificar la relación entre la información obtenida por un posible espía y la detectabilidad de su intervención.
El presente trabajo de integración curricular desarrolla un análisis profundo sobre la seguridad criptográfica mediante la aplicación de la computación cuántica, utilizando específicamente el entorno de desarrollo de código abierto Qiskit de IBM. La investigación se fundamenta en la creciente necesidad de proteger la información frente a las capacidades de procesamiento de los computadores cuánticos modernos, los cuales representan una amenaza para los sistemas criptográficos tradicionales. El núcleo de este proyecto consiste en la implementación y simulación detallada del protocolo de distribución de claves cuánticas BB84. A través de la experimentación en entornos controlados y simulados, se evaluó la robustez del protocolo ante escenarios de ataque de interceptación y reenvío (intercept-resend). Para medir la eficacia del sistema, se utilizó como métrica principal la tasa de error de bits cuánticos (QBER). Los resultados obtenidos demuestran que, bajo los principios de la mecánica cuántica, específicamente el teorema de no clonación y el colapso del estado cuántico tras la medición, es posible detectar de manera inequívoca la presencia de un intruso (Eve) en el canal de comunicación. El estudio concluye que el protocolo BB84 garantiza la generación de claves aleatorias y seguras entre dos entidades (Alice y Bob), permitiendo descartar claves comprometidas cuando la tasa de error supera el umbral de seguridad establecido. Este trabajo no solo valida la teoría de la criptografía cuántica mediante herramientas de programación actuales, sino que también establece una base práctica para el estudio de redes de comunicación seguras y la implementación de protocolos de ciberseguridad avanzados dentro del ámbito de la tecnología en redes y telecomunicaciones.