Fundamentos de la distribución cuántica de claves (QKD) y experimentación con el simulador QKDNetSim

Abstract

La seguridad de la información afronta un cambio de paradigma debido al desarrollo de la computación cuántica, que amenaza con comprometer los algoritmos criptográficos actuales. La distribución cuántica de claves (QKD) surge como tecnología estratégica, capaz de garantizar a largo plazo seguridad teórica de la información (ITS) gracias a las características que aportan los principios físicos de la cuántica como la superposición, el entrelazamiento y la no clonación. El sistema proporciona a dos entidades la capacidad de establecer claves secretas simétricas mediante el intercambio de estados cuánticos en un canal dedicado, por fibra o espacio libre, donde cualquier intento de interceptación será detectable. Las claves generadas se utilizarán posteriormente por una aplicación en procesos de cifrado clásico junto con OTP o AES. Este trabajo presenta, en primer lugar, los principales fundamentos cuánticos y criptográficos que se relacionan con QKD, así como los principales métodos, protocolos, componentes, interfaces, procesos y capas que forman parte de una red QKD. Posteriormente, a nivel experimental, se presenta la herramienta de simulación QKDNetSim, que permite analizar redes de distribución de claves y comprender el comportamiento de QKD en condiciones controladas bajo parámetros configurables. Mediante distintos escenarios de prueba, se evalúa cómo influyen variables como el tamaño de clave, la tasa de generación o la configuración de los nodos en la disponibilidad de clave y el rendimiento del sistema.

Information security is facing a paradigm shift due to the development of quantum computing, which threatens to compromise current cryptographic algorithms. Quantum key distribution (QKD) is emerging as a strategic technology capable of guaranteeing long-term theoretical information security (ITS) thanks to the characteristics provided by the physical principles of quantum mechanics, such as superposition, entanglement, and non-cloning theorem. The system provides two entities with the ability to establish symmetric secret keys by exchanging quantum states over a dedicated channel, via fiber or free space, where any attempt at interception will be detectable. The generated keys will then be used by an application in classical encryption processes together with OTP or AES. This work first presents the main quantum and cryptographic fundamentals related to QKD, as well as the main methods, protocols, components, interfaces, processes, and layers that form part of a QKD network. Subsequently, at the experimental level, the QKDNetSim simulation tool is presented, which allows the analysis of quantum key distribution networks and provides insights into QKD behavior under controlled conditions with configurable parameters. Through different test scenarios, it evaluates how variables such as key size, generation rate, and node configuration influence key availability and system performance.