Design and implementation of a continuous-variable quantum key distribution system
- Autores: Andrés Ruiz Chamorro
- Directores de la Tesis: Verónica Fernández Mármol (dir. tes.), Javier Vargas Balbuena (tut. tes.)
- Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2025
- Idioma: español
- Títulos paralelos:
- Diseño e implementación de un sistema de distribución cuántica de clave en variable continua
- Tribunal Calificador de la Tesis: Alfredo Luis Aina (presid.), Ángel Santiago Sanz Ortiz (secret.), Ana Fernández Vilas (voc.), Pablo Acedo Gallardo (voc.), Erik Torrontegui Muñoz (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad Complutense de Madrid
- Calificación: Sobresaliente Cum Laude
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
- Resumen
Esta tesis aborda el diseño teórico e implementación experimental de un sistema de Distribución Cuántica de Claves de Variable Continua (CV-QKD), una tecnología basada en las leyes de la mecánica cuántica que garantiza la seguridad en la transmisión de claves criptográficas, detectando cualquier intento de intercepción.
El trabajo se centra en un sistema experimental de CV-QKD con modulación gaussiana de estados coherentes (GMCS) y oscilador local generado localmente (LLO). La tesis se organiza en capítulos que cubren desde los fundamentos teóricos hasta la implementación experimental y los resultados obtenidos.
El Capítulo 1 introduce los objetivos de la tesis, motivando la investigación en CV-QKD y destacando los desafíos que aborda. También presenta el contexto general de esta tecnología y su relevancia en la criptografía cuántica.
El Capítulo 2 ofrece las bases teóricas necesarias. Incluye una introducción a los principios fundamentales de la mecánica cuántica y la teoría de la información cuántica, abordando conceptos como estados coherentes y cuadraturas del campo electromagnético. Además, explica la cota de Holevo y su importancia para la seguridad en CV-QKD. También revisa los principales protocolos de Distribución Cuántica de Claves, como BB84 y GG02, proporcionando un estado del arte que resalta avances recientes y enfoques experimentales. Finalmente, analiza las pruebas de seguridad de protocolos GMCS, detallando el cálculo de la tasa de clave segura (SKR).
El Capítulo 3 se centra en el diseño experimental del sistema CV-QKD, explicando la generación y detección de estados coherentes mediante láseres, moduladores electro-ópticos y detectores coherentes. Se describen las caracterizaciones de los dispositivos, identificando sus rangos óptimos de operación y abordando desafíos como la estabilización de frecuencia. Asimismo, se presentan simulaciones que modelan el impacto de imperfecciones experimentales en la SKR, proporcionando una guía para optimizar el diseño experimental.
El Capítulo 4 detalla la implementación experimental del sistema y el desarrollo de métodos de estabilización de frecuencias. Se describe el uso de técnicas de procesamiento digital de señales para corregir fluctuaciones en frecuencia y fase de los láseres, así como algoritmos para recuperar la fase y para la sincronización de reloj. También se implementaron mejoras como control automático de potencia, corrección de polarización y búsqueda de portadora óptica, automatizando el proceso de calibración previo a la transmisión. Finalmente, se presentan los resultados de transmisiones experimentales en fibras ópticas de diferentes longitudes, validando la consistencia con las simulaciones.
Además, se exploran aplicaciones adicionales, como la implementación de generación y adquisición de señales electrónicas en FPGAs, la coexistencia de canales cuánticos y clásicos mediante multiplexadores de longitud de onda (WDM), y el uso de claves destiladas para cifrar redes privadas virtuales (VPN) en entornos reales.
El Capítulo 5 concluye con un análisis de los resultados, discutiendo los aportes realizados y proponiendo líneas de investigación futura.
En los apéndices se complementa el contenido principal: el Apéndice A explica el uso de unidades de ruido de disparo (SNU) para medir magnitudes en CV-QKD, y el Apéndice B detalla el postprocesado de claves, incluyendo corrección de errores mediante códigos LDPC y amplificación de privacidad con algoritmos de hashing, esenciales para garantizar la seguridad de las claves distribuidas.
