Aplicación de la computación cuántica mediante Qiskit para el análisis de seguridad criptográfica: generación de claves cuánticas seguras usando Qiskit
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.
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.
El presente trabajo de titulación aborda la aplicación de la computación cuántica en el ámbito de la seguridad criptográfica, mediante la implementación del simulador de circuitos cuánticos Qiskit Aer, con un esquema mínimo de autenticación, desafío y respuesta. El objetivo es analizar cómo los principios fundamentales de la mecánica cuántica pueden emplearse para validar la identidad de un usuario con un nivel de seguridad superior a los métodos clásicos. El estudio se fundamenta en fenómenos como la superposición, entrelazamiento, medición y el principio de indeterminación de Heisenberg en conjunto con la ley de la normalización. Asegurando que cualquier intento de observación o interferencia externa modifique el sistema, haciendo detectable la presencia de un intruso, tomando como respaldo las propiedades y leyes de la física dentro de la computación cuántica. En la primera sección, se estudian los sistemas criptográficos actuales con la finalidad de comparar con los métodos de encriptación cuántica. Para verificar las principales ventajas y cambios que se tiene en cada método. En la segunda sección, se procede a realizar pruebas mediante el simulador de circuitos cuánticos Qiskit, con la finalidad de realizar envíos para lograr una comunicación de datos de manera segura. En la tercera sección, se establece un umbral de decisión, para comparar los resultados de la encriptación cuántica frente a un escenario con un intruso dentro la comunicación con la finalidad de revisar la tasa de aciertos de ambos escenarios y sus porcentajes de aciertos. Finalmente, exponer los resultados simulados, demostrando el funcionamiento del enfoque cuántico, para fortalecer los mecanismos de la información direccionada a la seguridad criptográfica.
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.
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.
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.
En el presente trabajo de integración curricular se implementó un sistema de generación de claves criptográficas basado en aleatoriedad cuántica (QRNG), utilizando el entorno de desarrollo Qiskit y el simulador Aer. La aplicación emplea el principio de superposición cuántica mediante compuertas Hadamard para producir secuencias de 512 bits con alta entropía, validando su integridad y trazabilidad mediante funciones hash SHA-256. Asimismo, se realizó un estudio comparativo de rendimiento y calidad estadística frente a un Generador de Números Pseudoaleatorios (PRNG) criptográficamente seguro nativo del sistema operativo. El informe sigue un orden secuencial para facilitar su comprensión. En la primera sección se describen los objetivos y el marco teórico sobre las vulnerabilidades de la criptografía actual frente a la computación cuántica. La segunda sección detalla la metodología empleada para la simulación y el diseño del algoritmo por lotes. En la tercera sección se exponen los resultados obtenidos, evidenciando la estabilidad estadística mediante las pruebas Monobit y de Corridas, así como el benchmarking gráfico de latencia y sesgo. Finalmente, se presentan las conclusiones que validan la eficacia de la simulación y las recomendaciones para la futura implementación en procesadores cuánticos reales.