[pt] Apesar da alta sensibilidade alcançada por Fotodetectores comercialmente disponíveis, a implementação de circuitos de gerenciamento é capaz de fortalecer a robustez das medidas, criando um aparato com mais recursos em aplicações específicas. Duas aplicações práticas dessa hipótese são apresentadas em contextos diferentes, Criptografia Quântica e Monitoramento de Fibras Ópticas fazendo uso da plataforma FPGA. / [en] Despite the high sensitivity reached by Photon Detectors so far, the implementation of a background managing system often enforces the robustness of measurements thus creating a resourceful apparatus for specific applications. In this document, the management tools offered by Software Defined Hardware (SDHs) is put to test. By associating the power of FPGAs and Photon Detectors, enhanced measurement stations were assembled. Two different applications, a Bell State Projection Analysis Station and a Photon Counting Optical Time Domain Reflectometry (v-OTDR)Automatic Setup, are presented. Even though both experiments involve the detection of single photons, the background technologies differ drastically.

[pt] A criptografia quântica se apresenta como uma área relativamente nova e interdisciplinar que, fundamentada nas leis da mecânica quântica, promete solucionar o grande desafio da criptografia simétrica clássica atual, a distribuição de chaves. A distribuição quântica de chaves provê comunicação absolutamente segura entre duas partes, possibilitando o compartilhamento de um segredo, que será utilizado na posterior encriptação da mensagem. Esta dissertação relata a implementação física experimental de um sistema óptico de distribuição quântica de chaves com codificação em freqüência por dupla-modulação em amplitude e fase e sincronização por multiplexação no domínio do comprimento de onda. São introduzidos os conceitos teóricos básicos necessários ao desenvolvimento do tema e apresentadas medições de caracterização dos principais componentes do sistema, bem como resultados de medidas sistêmicas clássicas e quânticas. / [en] The quantum cryptography rises as a relatively new and interdisciplinary area that, grounded in the quantum mechanics laws, promises to solve the major challenge in the actual symmetric classical cryptography, the key distribution. The quantum key distribution enables absolutely secure communication between two parts, making them able to share a secret that will be used in the posterior message encryptation. This dissertation reports the experimental physical implementation of an optical quantum key distribution system with frequency coding by amplitude and phase double-modulation process and wavelengthdivision multiplexing synchronization. The mean theoretical foundations are briefly introduced and the characterization measurements of the most important devices are shown, as like results from systemic classical and quantum measurements.

[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] 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] Este trabalho apresenta o estudo de comunicação óptica quântica no infravermelho, utilizando um sistema híbrido fibra-óptica – espaço-livre, como prova de princípio para o estabelecimento de chaves secretas a fim de utilização em criptografia do tipo one-time pad. Ao modular a polarização da luz de um laser em polarizações ortogonais, podem-se codificar os bits clássicos 1 e 0 em cada uma dessas polarizações, sendo detectadas por detectores contadores de fótons únicos, e, assim, utilizar o canal quântico para transmissão dos bits quânticos entre dois interlocutores, utilizandoos para o estabelecimento da chave criptográfica, que pode ser usada em qualquer tipo de informação a ser transmitida por um canal clássico ou quântico. Ao realizar a transmissão em espaço-livre, sujeita a variações climáticas, como temperatura atmosférica, luz solar, presença de nuvens, chuva e vento, foi também estudada a influência destes fenômenos na qualidade da transmissão e dos dados obtidos. Os resultados experimentais demonstraram consistência com a teoria e com outros trabalhos publicados na área até esta data com relação às taxas de erro de bit quântico e também à taxa de transmissão de bits. As taxas de erro obtidas, por estarem abaixo do limiar teórico para segurança da informação em comunicação quântica, provam, ainda, a possibilidade de estabelecimento de chave secreta para criptografia através do uso de distribuição quântica das chaves (QKD). Os resultados também apresentaram boa qualidade da informação recuperada após a descriptografia. / [en] This work presents the study of optical quantum communication in the infrared region, using a hybrid optical-fiber – free-space system, as proof of principle for the agreement on secret keys by two parties for use in one-time pad encryption. By modulating the polarization of laser light into orthogonal polarizations, one can encode the classic bits 1 and 0 in each of these polarizations, being detected by single photon counter detectors, and can use the quantum channel to transmit the quantum bits between two interlocutors. It is then possible to use those bits to establish the cryptographic key, which can be used in any type of information to be transmitted by a classic or quantum channel. While carrying out transmission in free space optics, subject to climatic variations, such as atmospheric temperature, sunlight, presence of clouds and rain, and the presence of wind, the influence of these phenomena on the quality of transmission and on the data obtained was also studied. The experimental results showed consistency with the theory and with other works published to date with regard to quantum bit error rates and to the bit rate. The error rates obtained, being below the theoretical threshold for information security in quantum communication, further proves the possibility of establishing a secret key for encryption through the use of quantum key distribution (QKD). It also presented good quality on the information recovered after decryption.