Characterization of Electro-Optic Polarization Controllers for Implementation in Discrete-Variable Quantum Communications Transmitters

Abstract

A criptografia quântica é um espaço em constante desenvolvimento no qual a capacidade do hardware é um fator extremamente limitativo. Com vista a melhorar da segurança, distância e velocidade de comunicação, é necessário implementar novos componentes para aprimorar os sistemas reais e capacitá-los para replicação de sistemas teóricos. Esta dissertação foca-se na caracterização de um controlador de polarização eletro-ótico, para posterior implementação num transmissor de um sistema de distribuição de chaves quânticas com codificação na polarização de fotões únicos. Primeiramente, foi feita uma modelação matemática do componente para ser possível caracterizá-lo, atribuindo valores numéricos às variáveis do modelo. Foi ainda apresentado um método de caracterização adaptado da proposta da empresa EOSPACE, baseado em automação em Matlab e controlo remoto de controladores lógicos programáveis. O método foi empregue com o objetivo de estabelecer um padrão de valores que permitissem calibrar o dispositivo aquando o uso num sistema de transmissão. Foram obtidos valores para três testes diferentes, sendo feita uma comparação com os valores da datasheet do dispositivo e com dados teóricos. Os resultados pouco satisfatórios, suportam as críticas feitas ao método que requer hardware e software capaz de uma análise e controlo em tempo real. O longo período de tempo requerido para o processo, conjugado às condições limitativas, levam à conclusão que devem ser procurados outras técnicas com menos restrições e mais simplicidade de hardware que melhorem a qualidade dos resultados e minimizem o tempo despendido num processo de calibração.

Quantum cryptography is a space in constant development in which hardware capacity is an extremely limiting factor. Therefore, to improve the security, distance and velocity of an established communication, it is necessary to implement new components to upgrade real systems and make them capable of replicating theoretical ones. This dissertation focuses on the characterization of an electro-optic polarization controller, which should be implemented in a transmitter of a Quantum Key Distribution system based on codification in the state of polarization of single photons. First, the device's mathematical modulation was made, so its characterization is possible by attributing numerical values to the variables in the model. Furthermore, a characterization method, adapted from a proposal of EOSPACE enterprise, is presented. It is based on Matlab automation and remote control of programmable logic controllers.The employed method should establish a group of core values allowing the device to be calibrated when implemented in a transmission system. Results were obtained for three different tests and then compared to the datasheet values and theoretically gathered data. The unsatisfactory results support the criticism made to the method's hardware and software requirements, which should be capable of analyzing and controlling the system in real-time. Considering the long time required to complete this process and the associated limiting conditions, one can conclude that different techniques should be pursued. These should have fewer restrictions and more simple hardware, improving the quality of the results and minimizing the time spent in a calibration process.