Mecánica cuántica y comunicaciones seguras: simulación y análisis de prestaciones del protocolo BB84

Abstract

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.

This Bachelor’s dissertation explores the implementation and analysis of the BB84 quantum key distribution protocol, integrating the theoretical foundations of quantum mechanics with experimental development in both simulated environments and real quantum hardware. The document first addresses the essential physical principles underpinning secure communications, including phenomena such as entanglement, superposition, and quantum measurement, as well as the challenges and advantages these properties offer over classical cryptography. Subsequently, it presents a state-of-the-art review of quantum key distribution and current quantum systems, detailing architectures, implementations, and recent developments. In the experimental section, a quantum circuit implementing the BB84 protocol is designed and built, incorporating the phases of random bit generation, transmission, reception, and detection of eavesdropping attempts. Simulations parameterized with realistic noise models are carried out, and tests are executed on an IBM quantum processor, assessing the impact of the quantum bit error rate (QBER) on the success of the protocol.