Resumen
Las comunicaciones cuánticas son un campo de estudio que utiliza los principios de la mecánica cuántica para transmitir información y constituyen la base de la criptografía cuántica segura. Hoy en día es un campo de investigación fundamental ya que promete proteger la información durante la transmisión, asegurando que ningún tercero pueda interceptarla o acceder a ella sin ser detectado. A pesar de ello, uno de los mayores retos en comunicaciones cuánticas es la falta de hardware capaz de operar a largas distancias, que requiere dispositivos fotónicos de muy bajo ruido y alta coherencia.
No es casualidad, por tanto, que 2025 haya sido proclamado por la UNESCO como el Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas con el objetivo de “aumentar la conciencia pública sobre la importancia” de esta disciplina y sus aplicaciones, y celebrar y reconocer los 100 años desde el desarrollo inicial de la Mecánica Cuántica.
Este es el ámbito de investigación de este Trabajo Fin de Grado y en concreto, se ha profundizado en el funcionamiento de los emisores cuánticos. Su objetivo fundamental es diseñar y simular un circuito fotónico integrado (PIC) que actúe como emisor cuántico (Alice) dentro de un sistema distribuidor de clave cuántico (QKD).
El proyecto tiene como objetivos principales el diseño y simulación de distintos emisores cuánticos, la selección de la configuración óptima y la representación final de un circuito fotónico integrado (PIC) que pueda servir como base para su futura fabricación.
La primera parte corresponde a la recopilación y análisis de los fundamentos teóricos necesarios, que abarcan la óptica y optoelectrónica, los tipos de láseres, los moduladores ópticos y las técnicas más utilizadas en QKD, como Gain Switching (GS) y Optical Injection Locking (OIL). Este marco teórico ha permitido establecer las bases para comprender el comportamiento de los emisores simulados y las decisiones de diseño adoptadas.
Seguidamente, se han llevado a cabo simulaciones en el software OptiSystem, donde se han analizado diferentes arquitecturas de emisores, como los láseres modulados directamente (DML), los moduladores Mach-Zehnder (MZM), los Single Photon Emitters (SPE) y configuraciones con amplificadores ópticos de onda viajera (SOA). Estas simulaciones han permitido obtener los espectros ópticos y de radiofrecuencia de los distintos sistemas y, a partir de ellos, comparar parámetros como estabilidad, ruido e inteligibilidad de la señal cuántica generada.
Para la parte de diseño, se ha empleado el software Nazca Design con el fin de representar de forma artesanal los circuitos simulados. Posteriormente, se han exportado los diseños en formato GDS y visualizado con KLayout, obteniendo así representaciones físicas de los PICs que podrían enviarse a foundries para su fabricación. Dada la complejidad de los sistemas, el proceso ha requerido un equilibrio entre el nivel de detalle y la viabilidad práctica de los diseños.
Con todo ello, se ha seleccionado como propuesta final un emisor Alice-QKD basado en la técnica de Optical Injection Locking (OIL), que ha mostrado un mejor rendimiento frente a las demás configuraciones simuladas gracias a su mayor estabilidad espectral y reducción de ruido.
Objetivos del proyecto
Para conseguir el objetivo principal, se han establecido una serie de objetivos específicos que guían la realización de este trabajo.
Metodología de simulaciones y diseños
Para realizar el proyecto de se han empleado tres herramientas principales. Una de ellas es el software de OptiSystem, encargado de simular el comportamiento de los emisores en el dominio óptico y de radiofrecuencia.
A lo largo del trabajo que se ha realizado se han probado muchas configuraciones distintas que se comportasen como emisores cuánticos para QKD, de las cuales solo se han seleccionado 4 para plasmar en la memoria.
La interfaz del programa sería la siguiente:
![]()
![]()
![]()
Interfaz de Optisystem.
Para crear y simular los circuitos se utiliza el fondo en blanco que se nos proporciona (file). Para crear cada circuito, Optisystem tiene una sección dedicada expresamente a guardar y ordenar en carpetas distintas los componentes que componen dicho circuito. Este espacio sería el gris que se aprecia a la izquierda de la pantalla.
Si nos fijamos, hay 5 carpetas, pero, las que realmente nos sirven son las de “default” y la de “favourites”. La carpeta de default despliega o contiene otra serie de subcarpetas en las que se encuentran organizados los componentes de los circuitos por temas.
La carpeta de “custom” está vacía en esta versión.
La carpeta de favoritos es útil porque se pueden guardar los componentes que ya se hayan utilizado o que más se usen en ellas y así localizarlos antes que tener que volver a repetir todas las rutas hasta que das con ellos.
La carpeta de “Recently used” guarda los componentes que has utilizado para crear los circuitos recientemente, pero al cabo de un tiempo o de utilizar otros nuevos se borran de esa carpeta.
Finalmente, la carpeta de subsistemas contiene en su mayoría transmisores de modulaciones como QPSK, QAM…, pero esta carpeta no nos interesa para realizar nuestro trabajo.
Otro software es el de Nazca Design, empleado para el diseño físico de los circuitos fotónicos integrados. En OptiSystem, se ha configurado un entorno de simulación con emisores láser, moduladores y amplificadores ópticos que reproducen las condiciones de un sistema QKD real. En Nazca, los circuitos se han diseñado artesanalmente, estableciendo bloques que representan cada componente del sistema y exportando posteriormente a GDS para su visualización en KLayout el último y tercer software utilizado. Un ejemplo de como se vería uno de los diseños sería el siguiente:
Diseño del VCSEL + MZM en KLayout.
Simulaciones de los Sistemas QKD
El objetivo de este TFG consiste en el diseño de un PIC que pueda ser enviado a la factoría para ser fabricado y ser usado como Alice en un dispositivo CV-QKD.
Para ello, en primer lugar y con el interés de poder conocer las respuestas y espectrales de la señal emitida, se ha comenzado el trabajo experimental con el diseño de varios emisores fotónicos usando el software de simulación Optisystem. La conclusión del trabajo resultará en el diseño o los diseños en los que merece la pena avanzar posteriormente, es decir, realizar el diseño en el software Nazca.
![]()
Circuito VCSEL + MZM en Optisystem.
Así, en este capítulo se muestran varios sets de simulaciones que se corresponden cada uno de ellos con uno de los diseños escogidos de emisores de luz pulsada. Posteriormente se varían algunos de los parámetros de la simulación para poder realizar una comparativa de los distintos resultados y de los resultados espectrales (mostrados tanto en el Optical Spectrum Analyzer como en el Electrical Spectrum Analyzer situado tras un APD).
A continuación, se aprecia como se verían las respuestas del espectro óptico de uno de los sistemas QKD simulados.
TABLA OPTICAL ESPECTRUM ANALIZER (OSA). EX:1.
|
 Espectro OSA E1 a 40GHz.
|
Espectro OSA E1 a 45GHz.
|
Diseño del modelo fotónico
El diseño de los PICs se ha centrado en representar de manera fiel los componentes fundamentales de los emisores cuánticos. Se han desarrollado distintos modelos, incluyendo un DML, un VCSEL-MZM y un sistema DML+SOA bajo OIL. Cada uno de estos diseños se ha representado gráficamente y descrito con detalle, buscando el compromiso entre precisión en la simulación y viabilidad práctica de fabricación.
A continuación, se aprecia el diseño del del emisor Alice-QKD definitivo:
Diseño del Generador Alice-QKD en KLayout.
Conclusión
El desarrollo de este proyecto ha permitido confirmar que es posible plantear un diseño realista de un chip fotónico que pueda ser empleado como emisor Alice en un sistema de distribución de clave cuántica. Las simulaciones realizadas han mostrado la viabilidad de diferentes configuraciones, aportando un análisis comparativo que evidencia las ventajas y limitaciones de cada sistema.
Uno de los resultados más relevantes ha sido comprobar que la técnica de Optical Injection Locking permite reducir de manera significativa las fluctuaciones de fase y el ruido de los pulsos, lo cual supone una mejora notable respecto a otras configuraciones estudiadas. Este resultado convierte al sistema OIL en un candidato idóneo para un futuro diseño fabricado en foundry.
Otro aspecto importante es que el trabajo ha demostrado que es posible abordar el diseño de PICs de manera artesanal, comprendiendo el funcionamiento de cada componente y trasladándolo a representaciones gráficas en Nazca, lo que ofrece un mayor control sobre la propuesta final. Esto ha implicado un mayor esfuerzo en términos de tiempo y dedicación, pero ha permitido generar un diseño más sólido y fundamentado.
Finalmente, cabe destacar que este proyecto supone un primer paso en el desarrollo de hardware cuántico integrado en la Universidad de Castilla-La Mancha. Si bien no se ha fabricado el chip, el haber conseguido simular, diseñar y dejar planteada una propuesta realista abre una puerta muy valiosa para futuros trabajos, situando a este TFG como una base de referencia en el ámbito de las comunicaciones cuánticas seguras.
Líneas Futuras
Las líneas futuras de este trabajo se centran en avanzar hacia la fabricación real del chip fotónico integrado diseñado como emisor Alice en un sistema de distribución de clave cuántica de variables continuas (CV-QKD). Durante el desarrollo del proyecto se llegó a un diseño definitivo y se estableció contacto con la empresa SMART Photonics, especializada en tecnología InP, con la que incluso se firmó un acuerdo de confidencialidad. No obstante, la colaboración no pudo comenzar por motivos de agenda, por lo que la primera tarea futura consistirá en retomar dicho acuerdo, emplear los Process Design Kits (PDKs) de la factoría y trabajar conjuntamente en el empaquetado. Esto permitiría validar los diseños realizados en Nazca y pasar de un modelo conceptual a un chip real fabricado en foundry.
La fabricación del dispositivo no solo serviría para comprobar que el diseño funciona correctamente, sino también para caracterizar experimentalmente el sistema. Esto haría posible medir la calidad del Optical Frequency Comb, la eficiencia del láser, el comportamiento del modulador y los niveles de ruido, contrastando los resultados prácticos con las simulaciones. A partir de esta comparación, se abriría la posibilidad de optimizar el diseño y mejorar componentes específicos del sistema.
Adicionalmente, se podrían explorar otras configuraciones de QKD, tanto en CV-QKD con distintos emisores como en DV-QKD con fuentes de un solo fotón (SPE). Comparar las respuestas espectrales obtenidas con modelos teóricos basados en ecuaciones de tasa permitiría validar los resultados de forma más robusta.
Finalmente, una línea de gran interés sería personalizar el diseño de Alice-QKD según aplicaciones concretas, como las comunicaciones cuánticas por satélite, actualmente en desarrollo en proyectos como QUICK³. En definitiva, cualquier avance orientado a disponer de un chip físico plenamente operativo constituiría la continuidad natural de este trabajo.