Registro:
| Documento: | Tesis Doctoral |
| Título: | Distribución cuántica de claves criptográficas. Experimentos y tecnologías |
| Título alternativo: | Experiments and technologies for quantum key distribution |
| Autor: | López Grande, Ignacio Hernán |
| Editor: | Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales |
| Lugar de trabajo: | CONICET - Ministerio de Defensa. Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa (CITEDEF). Departamento de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones (DEILAP). Laboratorio de Óptica Cuántica
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| Publicación en la Web: | 2019-05-31 |
| Fecha de defensa: | 2018-12-10 |
| Fecha en portada: | 2018 |
| Grado Obtenido: | Doctorado |
| Título Obtenido: | Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas |
| Departamento Docente: | Departamento de Física |
| Director: | Larotonda, Miguel Antonio |
| Consejero: | Iemmi, Claudio César |
| Jurado: | Grosz, Diego Fernando; Ledesma, Silvia Adriana; Matera, Juan M. |
| Idioma: | Español |
| Palabras clave: | INFORMACION CUANTICA; COMUNICACION CUANTICA EN FIBRAS OPTICAS; DISTRIBUCION CUANTICA DE CLAVES; CODIFICACION EN MODOS TEMPORALES DISCRETOS; CODIFICACION EN POLARIZACION; PLUG & PLAYQUANTUM INFORMATION; FIBER-BASED QUANTUM COMMUNICATION; QUANTUM KEY DISTRIBUTION; TIME-BIN ENCODING; POLARIZATION ENCONDING; PLUG & PLAY |
| Formato: | PDF |
| Handle: |
https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6544_LopezGrande |
| PDF: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n6544_LopezGrande.pdf |
| Registro: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n6544_LopezGrande |
| Ubicación: | FIS 006544 |
| Derechos de Acceso: | Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. López Grande, Ignacio Hernán. (2018). Distribución cuántica de claves criptográficas. Experimentos y tecnologías. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6544_LopezGrande |
Resumen:
En esta tesis se presentan los resultados de una serie de experimentos ópticos en los que se ejecutan algoritmos de comunicaciones cuánticas para realizar Distribución Cuántica de Claves(DCC) criptográficas con estados coherentes de muy baja intensidad. Específicamente, se estudia la implementación de esquemas prácticos y robustos de DCC, con especial interés en sistemas basados en fibra óptica. A diferencia de las comunicaciones por aire, este medio permite transmitir estados cuánticos con bajísimas atenuaciones y mínimas perturbaciones externas, utilizando instrumental comercialmente disponible y de bajo costo, incluso para distancias de decenas de kilómetros. Los protocolos de DCC estudiados codifican información clásica (bits) en estados cuánticos preparados sobre distintos grados de libertad discretos de sistemas físicos. En el trabajo se exploran implementaciones que explotan la polarización y los modos temporales discretos de luz (time-bin). En ambos casos, fue necesario desarrollar y familiarizarse con tecnologías específicas para la preparación, transmisión y detección de dichos estados cuánticos. El problema de transmitir estados cuánticos en fibra de forma eficiente y robusta se atacó con dos estrategias. Por un lado, utilizando el grado de libertad de polarización y, por otro, modos temporales discretos de luz. En el primer caso, se codificaron los estados en el grado de libertad de polarización, que es fácilmente accesible. Sin embargo, este es muy sensible a perturbaciones, por lo que para asegurar la robustez se incorporó un sistema de estabilización activa del Estado de Polarización(SOP, por su sigla en inglés). Con este esquema se implementaron dos variantes de un protocolo clásico de DCC, llamado BB84, utilizando la polarización de pulsos de luz para codificar los estados cuánticos. Esto requirió el desarrollo de una fuente de pulsos tenues de luz basada en un láser DFB en el rango de las telecomunicaciones, con un modulador de intensidad externo por electroabsorción. Se diseñó un sistema de estabilización de la polarización robusto que permite compensar de forma automática las perturbaciones que genera la birrefringencia de la fibra sobre el estado de polarización. El sistema está basado en controladores de polarización comerciales y electrónica de control diseñada especifícamente, y puede ser adaptado fácilmente a cualquier protocolo de comunicación por fibra. En este sentido, se realizó una implementación del protocolo BB84 y una variante llamada BB84E, que requiere la utilización de los seis estados de un conjunto completo de bases mutuamente no sesgadas para la polarización. En el segundo caso, se ensayó una codificación más sofisticada y resistente a perturbaciones, que implicó enfrentar una serie de desafíos tecnológicos, pero que se presenta como una alternativa práctica y escalable en distancia de transmisión y velocidad. Se propuso un esquema híbrido de DCC basado en un protocolo de referencia de fase distribuida con comunicación bidireccional (Plug & Play), ambas tecnologías desarrolladas para trabajar especifícamente en fibra óptica, en un esquema con economía de recursos y distribución tipo servidor-cliente. Así, se obtuvo una configuración en donde tanto el instrumental como las operaciones sobre los estados más sensibles del protocolo se encuentran concentradas en una de las partes (servidor), mientras que los requerimientos sobre la otra parte involucrada en la comunicación son mínimos. Esta alternativa combina diferentes características deseables en una implementación práctica de DCC, como la simplicidad y la robustez. El esquema propuesto codifica estados cuánticos en modos temporales discretos de luz. Esto requirió el desarrollo de dispositivos específicos para preparar y medir estos estados, basados en interferómetros de fibra óptica que no demanden estabilización activa. Otra de las premisas fue la independencia de funcionamiento del estado de polarización, que se logra a partir de la incorporación de rotadores de Faraday en diferentes partes del esquema empleado. Por último, debido al tipo de codificación y al sistema de sincronización utilizados, este esquema es adaptable a tasas de transmisión en el rango de los MHz. De los experimentos de DCC mencionados se desprenden una serie de desarrollos y pruebas de laboratorio adicionales, que son relevantes por sí mismos. Entre ellos figuran la estabilización activa de interferómetros de Mach-Zehnder en fibra y el estudio de esquemas experimentales alternativos para el protocolo híbrido de DCC propuesto. También se puede destacar la puesta a punto de un prototipo autónomo de DCC en aire y su adaptación para obtener un protocolo que distingue mezclas computables (pseudoaleatorias) de estados cuánticos. Este es un tema de interés para el procesamiento cuántico de la información en general. Las técnicas abordadas y el know-how adquirido permiten entender y superar distintos problemas particulares de la utilización de estados cuánticos en comunicaciones por fibra óptica. Además, estos desarrollos tienen la capacidad de ser empleados tanto en ensayos de DCC que excedan el ámbito del laboratorio, como en un contexto más amplio que permita implementar otros protocolos de comunicación cuántica usando fibras ópticas de telecomunicaciones como canal cuántico.
Abstract:
This thesis presents the results of a series of optical experiments carrying out quantum communication algorithms. Specifically, it studies the implementation of practical and robust schemes for fiber-based Quantum Key Distribution (QKD). The use of optical fibers as quantum channels allows the transmission of quantum states with small enviromental noise and extremely low attenuations using off-the-shelf and low-cost instrumental for communication through distances over tens of kilometers. The studied QKD protocols perform a codification of classical information (bits) into quantum states prepared with discrete degrees of freedom of physical systems. Throughout this work, implementations that exploit the polarization and time-bin degrees of freedom were explored. Both types of implementations required developing specific technologies and devices for preparation, transmission, and detection of the aforementioned quantum states. The problem of transmitting quantum states through fiber in an eficient and robust manner was tackled through two strategies, each one involving a different degree of freedom. On the one hand, quantum states were coded using the polarization of photons, which is easily accessible. Nevertheless, the polarization is highly sensitive to fiber perturbations. To ensure the robustness of this implementation, an active polarization stabilization system was adopted. With this scheme two alternatives of a classic QKD protocol named BB84 were implemented. The two implementations use the polarization of light pulses to encode the quantum states. This demanded the development of an optic pulse generator based on a telecommunications wavelength DFB laser with an external electroabsortion intensity modulator. Also, a robust polarization stabilization system was designed. This allows for an automatic compensation of the polarization drift generated by the fiber. The system is based on commercial polarization controllers and electronics specifically designed for this application. The polarization control system could be easily adapted to any fiber-based communication protocol, such as the BB84 protocol and a variation of that protocol called BB84E, that were carried out. This last protocol demands the preparation of six quantum states that conform a complete set of Mutually Unbiased Bases, demonstrating the versatilit y of the system. For the second approach a more sophisticated and robust codification was tried out. This involved a series of technological challenges but demonstrated itself to be a practical and scalable alternative in communication speed and link distance. A QKD hybrid scheme based on a Distributed Phase Reference protocol with two-way communication (called Plug & Play) is proposed. Both technologies were developed for the usage of optical fibers with resource-eficient approach and a server-client fashion. In this way, a configuration where both the sophisticated instrumental and the security-sensitive operations of the protocol are focused on one of the parties `side (server), while the requirements over the other are minimal. This alternative combines difierent desired characteristics in a practical QKD implementation. The proposed scheme uses a codification of quantum systems in discrete temporal modes of light. This demanded the development of specific devices to prepare and measure these states, based on fiber interferometers without active stabilization. Another premise of the protocol was the polarization independence, achieved through the usage of Faraday rotators in different parts of the setup. Finally, it should be emphasized that such scheme can be easily adapted to work at MHz transmission rates, due to some features of the protocol such as the type codification and the versatile synchronizing electronics that was used. As part of this work a series of developments and additional experimental tests were performed. Among them the active stabilization of a fiber Mach-Zehnder interferometer and the study of an alternative scheme for the proposed QKD protocol. It is also worth mentioning the setup of an air-based QKD prototype and its adaptation to implement a protocol that distinguishes computable (pseudorandom) mixtures of quantum states, a topic of interest for Quantum Information Processing. The addressed techniques and the acquired know-how allowed the researchers to understand and overcome different problems concerning the implementation of quantum states in fiber-based communications. Furthermore, these developments have the potential to be applied both in-field QKD experiments and in a wider context, allowing the implementation of other fiber-based quantum communication protocols.
Citación:
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López Grande, Ignacio Hernán. (2018). Distribución cuántica de claves criptográficas. Experimentos y tecnologías. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6544_LopezGrande
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López Grande, Ignacio Hernán. "Distribución cuántica de claves criptográficas. Experimentos y tecnologías". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2018.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6544_LopezGrande
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