Quantum communications system using qubits with polarization encoding

Abstract

Compreende-se criptografia como a prática de princípios e técnicas que permitem uma comunicação segura, na presença de terceiros. Com o desenvolvimento dos computadores quânticos, a utilização de um algoritmo quântico muito eficiente (algoritmo de Shor) para atacar a atual criptografia assimétrica pode transformar-se numa realidade. Isso comprometeria a segurança dos sistemas atuais e futuras trocas de informações. Nesta dissertação, é estudada uma implementação do protocolo quântico BB84, que utiliza variáveis discretas com codificação na polarização de fotões.Na primeira parte deste trabalho, foi estudado o recetor já implementado no laboratório do Instituto de Telecomunicações de Aveiro. De forma a otimizar o processo de recolha e processamento de informação, foi desenvolvida uma solução baseada no Arduino. Conforme foram realizados alguns testes, percebeu-se que seria necessário adicionar um novo Arduino e uma placa periférica para gerir quatro valores de tensão de um controlador de polarização. Foram ainda obtidos resultados testes do Quantum Bit Error Rate (QBER), onde se verifica a estabilidade do sistema.Por último, de forma a obter ritmos de operação elevados, estudou-se uma solução baseada em moduladores IQ (In-phase Quadrature. Para se conseguir gerar os seis estados de polarização nas três bases não ortogonais (base padrão, base diagonal e base circular) propusemos uma estrutura Dual-IQ. Nesta estrutura, o sinal ótico é dividido em duas partes iguais, cada uma passando por um modulador IQ. Aqui, uma diferença de fase é introduzida em cada um dos sinais, e com a ajuda de um rotador de polarização é possível gerar vários estados de polarização. Foram realizadas simulações de forma a demonstrar que esta estrutura é capaz de gerar os seis estados de polarização necessários.

Cryptography can be understood as the practice of principles and techniques, that allows secure communications, in the presence of unwanted parties. With the development of quantum computers, the use of a very efficient quantum algorithm (Shor algorithm) to attack the current asymmetric cryptography can become a reality. This would compromise the security of current systems and future information exchanges.In this dissertation, an implementation of the BB84 quantum protocol is studied, which uses polarization encoding on single photons.In the first part of this work, the already implemented receiver, in the laboratory of Instituto de Telecomunicações de Aveiro was studied. To optimize the process of collecting and processing information, a solution based in the Arduino was developed. As some tests were carried out, it was perceived that the system needs two Arduinos and a peripheral board to manage four voltage values of a polarization controller. The Quantum Bit Error Rate (QBER) tests results were also obtained, where the stability of the system can be analyzed.Finally, in order to obtain high operation rates, a solution based on IQ (In-phase Quadrature) modulators was studied. To generate the six polarization states, in the three non-orthogonal bases (standard base, diagonal base and circular base), we proposed a Dual-IQ structure. In this structure, the optical input signal is divided into two equal parts, each passing on the IQ modulator. Here, a phase difference is introduced in each of the signal, and with the help of a polarization rotator it is possible to generate several polarization states. Simulations have been performed to demonstrate that this structure is capable of generating the six required polarization states.