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[en] PRACTICAL ASSETS FOR FIBER OPTICAL QUANTUM COMMUNICATIONS / [pt] RECURSOS PRÁTICOS PARA COMUNICAÇÕES QUÂNTICAS EM FIBRAS ÓPTICASGUILHERME BARRETO XAVIER 25 September 2009 (has links)
[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.
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[en] OPTICAL TRANSMISSION OF FREQUENCY-CODED QUANTUM BITS WITH WDM SYNCHRONIZATION / [pt] TRANSMISSÃO ÓPTICA DE BITS QUÂNTICOS CODIFICADOS EM FREQÜÊNCIA COM SINCRONISMO POR WDMTHIAGO FERREIRA DA SILVA 10 June 2008 (has links)
[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.
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[en] MODULATION SCHEMES FOR FREQUENCY CODED QUANTUM KEY DISTRIBUTION / [pt] ESQUEMAS DE MODULAÇÃO PARA DISTRIBUIÇÃO QUÂNTICA DE CHAVES COM CODIFICAÇÃO DE FREQÜÊNCIAGUILHERME BARRETO XAVIER 20 May 2005 (has links)
[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.
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[pt] ELEMENTOS PARA COMUNICAÇÃO QUÂNTICA EXPERIMENTAL UTILIZANDO FOTODIODOS AVALANCHE / [en] ELEMENTS FOR QUANTUM COMMUNICATION BASED ON AVALANCHE PHOTODIODESTHIAGO FERREIRA DA SILVA 12 November 2021 (has links)
[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.
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[pt] COMUNICAÇÕES ÓPTICAS DE ESPAÇO LIVRE POR CONTAGEM DE FÓTONS PARA USO EM ENLACES ENTRE EMBARCAÇÕES E ESTAÇÕES COSTEIRAS / [en] FREE-SPACE PHOTON COUNTING OPTICAL COMMUNICATIONS FOR USE IN VESSEL-TO-SHORE LINKSRAFAEL FREITAS BARBOSA 23 February 2021 (has links)
[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.
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