[pt] As comunicações quânticas estão rapidamente integrando-se às redes de fibras ópticas, entretanto muitos desafios de engenharia ainda existem para essa aglutinação. Esta tese discute algumas soluções práticas para a melhoria de aplicações reais em comunicações quânticas em fibras ópticas. No primeiro experimento uma fonte de pares de fótons emaranhados não-degenerados, de banda-estreita, empregando conversão espontânea paramétrica descendente (CEPD) é utilizada para demonstrar a viabilidade da distribuição quântica de chaves (DQC) através de 27 km de fibras ópticas, com o canal de sincronismo presente na mesma fibra com uma separação de 0.8 nm em comprimento de onda. A outra demonstração utilizou uma fonte heráldica de fótons únicos também baseada em CEPD para a realização de DQC através de 25 km de fibras ópticas com a utilização do protocolo de decoy states pela primeira vez. Houve também um estudo dos impactos gerados por ruído Raman espontâneo causado por um canal óptico clássico presente na mesma fibra que o canal quântico. Um protocolo para gerar números verdadeiramente aleatórios em um sistema de DQC independente da taxa de transmissão do sistema é proposto, e um experimento prova-de-princípio demonstra a idéia. Finalmente um sistema de controle automático de polarização é utilizado para a realização de uma sessão de DQC através de 16 km de fibras ópticas utilizando codificação em polarização, mesmo sob a presença de um embaralhador rápido do estado de polarização. / [en] Quantum communications is quickly becoming integrated within fiber optical networks and still many engineering challenges remain towards this interweaving. This thesis deals with some practical solutions toward improving real-world applications in quantum communications within optical fibers. In the first experiment, a non-degenerate narrowband entangled pair single-photon source based on spontaneous parametric down-conversion (SPDC) is used to show the feasibility of performing quantum key distribution (QKD) through 27 km of optical fiber, with the synchronization channel wavelength multiplexed in the same fiber with a channel spacing of just 0.8 nm. A second experiment uses a heralded single-photon source also based on SPDC to perform QKD over 25 km of optical fiber with the decoy state modification for the first time. Then there is a study of the problems caused by spontaneous Raman induced noise due to the presence of a classical signal in the same fiber as the quantum channel. A protocol to generate truly random numbers in a QKD setup independent of the system s transmission rate is proposed, and a proof-of-principle experiment demonstrates the idea. Finally an automatic polarization control system is used to perform a QKD session over 16 km of optical fiber using polarization encoding, even in the presence of a fast polarization scrambler.

[pt] O controle de um estado de polarização, assim como o controle de todos os estados de polarização da luz transmitida através de uma fibra óptica monomodo, é realizado utilizando diferentes esquemas. O controle de polarização do sinal em um canal DWDM é realizado, utilizando sinais de referência em canais laterais em tempo contínuo. Uma troca de chave quântica codificada em polarização é discutida e realizada, no canal central, graças ao sistema de controle de polarização. A influência da distância espectral entre os canais e da PMD no controle também é estudada. Dois protótipos foram construídos, um sistema de controle de todos os estados de polarização e um compensador de PMD, e são apresentados e descritos inteiramente, incluindo os resultados dos seus testes. O compensador de PMD foi testado, e medidas de compensação de PMD em um enlace de 43Gb/s foram realizadas em diversos formatos de modulação, bem como, em diversas situações de embaralhamento de polarização, com e sem o uso de FEC, a fim de avaliar a eficiência dos formatos de modulação, e a compensação de PMD com linhas de atraso de secção simples e múltiplas. / [en] The control of polarization state, as well as a control of all states of polarization of a light signal travelling through a singlemode optical fiber, is performed using different schemes. The polarization control of the signal in a DWDM channel is performed using reference signals in lateral channels in real time. A polarization encoded quantum key distribution scheme is discussed and performed in the central channel through the control system polarization. The influence of the PMD and the spectral distance between channels in control is also investigated theoretically and experimentally. Two prototypes were built, a full polarization control system and a PMD compensator is shown and totally described, as well their test results. Measurements of PMD compensation on a link at 43Gb / s were performed in different modulation formats and in different situations of polarization scrambling, with and without the use of FEC in order to evaluate the efficiency of modulation formats, and PMD compensation with single or multiple section delay lines.

[pt] A criptografia quântica foi proposta como uma solução para o problema da distribuição de chaves criptográficas com segurança total garantida pelos princípios da mecânica quântica. Através dessa técnica é possível saber se um espião tentou interceptar a transmissão, o que é impossível utilizando técnicas de transmissão clássicas. Nesse trabalho foi feito um breve resumo da teoria de criptografia quântica, de suas técnicas de transmissão e dos problemas tecnológicos enfrentados. Foi analisada em detalhes a técnica de transmissão de qubits utilizando codificação de freqüência e feita uma comparação dos diferentes esquemas de modulação frente aos protocolos BB84 e B92. Foi demonstrado que os dois esquemas de modulação existentes (AM-AM e PM-PM) são na realidade equivalentes e foi proposto um novo esquema, o AM-PM o único que suporta o protocolo BB84 clássico. Medidas foram realizadas classicamente nos formatos AM-AM e AM-PM. / [en] Quantum cryptography has been proposed as a solution to the cryptographic key distribution problem with absolute security guaranteed by the principles of quantum mechanics. Through this scheme it is possible to find out whether a spy tried to eavesdrop on the transmission, which was impossible to discover using classical transmission techniques. In this work a brief review of quantum cryptography theory, transmission techniques and technological problems involved were performed. It was analyzed in detail the transmission technique employing frequency coding, and a comparison was made between the different modulation schemes and the BB84 and B92 protocols. It was demonstrated that the two existing modulation formats (AM-AM and PM-PM) are in fact equivalent and a new format (AM-PM) was proposed, the only one able to accommodate classical BB84. Classical measurements were performed on the AM-AM and AMPM formats.

[pt] A internet quântica atrai a atenção de muitos pesquisadores e empresas. O elemento essencial para realizá-la é o emaranhamento. A distribuição do emaranhamento permite a transmissão de qubits sem realmente enviá-los pelo canal quântico. Portanto, a fonte que produz esses estados emaranhados deve fazê-lo de forma confiável e com taxa competitiva à de comunicação clássica. Este trabalho apresenta uma ferramenta de simulação para a fonte de pares de fótons emaranhados mais comum, o EPPS baseado em SPDC. Além disso, usando filtros, emulamos o efeito do SPDC dentro de uma cavidade. Otimizando os parâmetros da fonte, obtivemos um ganho de 6dB na taxa de chaves secretas em comparação com um processo SPDC simples. / [en] The quantum internet has dragged the attention of many researchers and companies. The essential element to accomplish it is entanglement. Distributing entanglement allows the transmission of qubits without really sending them through the quantum channel. Therefore, the source that produces these entangled states shall do it reliably and with a competitive rate to classical communication. This work presents a simulation tool for the most common entangled photon pair source, the SPDC-based EPPS. Furthermore, using filters, we can emulate the effect of cavity-enhanced SPDC. Optimizing the parameters of the source, we achieved a 6dB gain on the Secret Key Rate compared to a simple SPDC process.

[pt] Dois dispositivos de contagem de fótons únicos, sensíveis a comprimentos de onda no infravermelho próximo e médio, são propostos e experimentalmente investigados. Ambos utilizam uma técnica de dois estágios, composta de uma etapa inicial de conversão de freqüências em um cristal não-linear seguida de detecção por um fotodiodo avalanche de silício. Enquanto o primeiro projeto é voltado à detecção de fótons únicos a 1.55 μm para comunicações quânticas via fibra óptica, usando um processo intra-cavidade, o segundo projeto prevê o desenvolvimento de um contador de fótons operando a 4.65 μm para sistemas de espaço livre. Neste caso, um estudo de viabilidade para um sistema prático de criptografia quântica operando em um comprimento de onda no infravermelho médio é realizado. Os resultados mostram que, usando a tecnologia disponível na atualidade, tal sistema pode ser construído, embora sua utilidade se mostre restrita a enlaces possuindo certas condições meteorológicas específicas. / [en] Two single photon counting devices, operating at near- and mid-infrared wavelengths, are introduced and experimentally investigated. Both use a twostage technique, comprised of an initial frequency up-conversion procedure inside a nonlinear crystal followed by a silicon avalanche photodiode. Whereas the first project consists on detection of single photons at 1.55 ìm for fiber-optic-based quantum communications, using a cavity-enhanced procedure, the second project envisions the development of a single-photon counter operating at 4.65 ìm for free-space systems. In this case, a feasibility study for a practical quantum key distribution system operating in a mid-infrared wavelength is performed. The results show that, using present-day technology, such a system can be constructed, albeit its usefulness would be restricted to operation under very specific weather conditions.

[pt] Detectores de fótons únicos baseados em fotodiodo avalanche (SPADs) são elementos essenciais em aplicações que requerem alta sensibilidade, como comunicações quânticas. É proposto um método para caracterização em tempo real da eficiência de detecção e das probabilidades de contagem de escuro e de pós-pulsos em SPADs através da análise da estatística de tempos entre detecções consecutivas utilizando instrumentação simples com o detector sob condições de operação. O método é então aplicado no monitoramento dos detectores utilizados em um sistema de distribuição quântica de chaves, motivado pela falha de segurança que imperfeições apresentadas pela tecnologia atual de detecção podem acarretar. Em especial, os ataques after-gate e time-shif são implementados e analisados. Uma simulação através do método de Monte-Carlo de um detector de fótons únicos composto por uma associação de diversos SPADs ativados serialmente e precedidos por uma chave óptica ativa é apresentada, visando otimizar a performance de detecção com tecnologia atual no tangente à frequência de gatilho. É reportada ainda a interferência estável entre fótons provenientes de fontes laser atenuadas totalmente independentes, cuja visibilidade é monitorada ao longo do tempo para um enlace implementado sobre duas bobinas de 8,5 km com controle ativo de polarização, passo importante para a tecnologia de repetidores quânticos e para o protocolo para distribuição quântica de chaves independente do aparato de medição. Um medidor de estados de Bell é implementado, utilizando-se óptica linear, com a resposta do sistema verificada para diferentes combinações dos estados preparados em duas estações remotas conectadas à estação central de medição através do canal estabilizado. / [en] DetecSingle-photon detectors based on avalanche photodiodes (SPADs) are key elements in ultra-sensitive applications, such as quantum communication. This thesis presents a method for real-time characterization of the overall detection efficiency, afterpulse and dark count probabilities, based on the analysis of the statistics of times between consecutive detections with simple instrumentation under operational condition. The method is employed for monitoring the SPADs on a quantum key distribution system, to prevent security failures due to side-channel attacks caused by current technology loopholes. The after-gate and time-shift attacks are implemented and analyzed. A Monte-Carlo simulation of a serially-activated association of SPADs, preceeded by an active optical switch, is performed for enhancement of the gating frequency performance with detectors based on current technology. The stable interference between photons from two independent faint laser sources is also reported, with visibility stability monitored over time after an optical link composed by two polarization-controlled 8.5-km fiber spools, a key features for quantum repeater and the measurement device independent quantum key distribution protocols. A Bell states analyzer is implemented with linear optics, and its response is verified for different combination of polarization states received from the remote stations through the stabilized channels.