Quantum criptography in optical fibers

Abstract

As comunicações quânticas aplicam as leis fundamentais da física quântica para codificar, transmitir, guardar e processar informação. A mais importante e bem-sucedida aplicação é a distribuição de chaves quânticas (QKD). Os sistemas de QKD são suportados por tecnologias capazes de processar fotões únicos. Nesta tese analisamos a geração, transmissão e deteção de fotões únicos e entrelaçados em fibras óticas. É proposta uma fonte de fotões única baseada no processo clássico de mistura de quatro ondas (FWM) em fibras óticas num regime de baixas potências. Implementamos essa fonte no laboratório, e desenvolvemos um modelo teórico capaz de descrever corretamente o processo de geração de fotões únicos. O modelo teórico considera o papel das nãolinearidades da fibra e os efeitos da polarização na geração de fotões através do processo de FWM. Analisamos a estatística da fonte de fotões baseada no processo clássico de FWM em fibras óticas. Derivamos um modelo teórico capaz de descrever a estatística dessa fonte de fotões. Mostramos que a estatística da fonte de fotões evolui de térmica num regime de baixas potências óticas, para Poissoniana num regime de potências óticas moderadas. Validamos experimentalmente o modelo teórico, através do uso de fotodetetores de avalanche, do método estimativo da máxima verossimilhança e do algoritmo de maximização de expectativa. Estudamos o processo espontâneo de FWM como uma fonte condicional de fotões únicos. Analisamos a estatística dessa fonte em termos da função condicional de coerência de segunda ordem, considerando o espalhamento de Raman na geração de pares de fotões, e a perda durante a propagação de fotões numa fibra ótica padrão. Identificamos regimes apropriados onde a fonte é quase ideal. Fontes de pares de fotões implementadas em fibras óticas fornecem uma solução prática ao problema de acoplamento que surge quando os pares de fotões são gerados fora da fibra. Exploramos a geração de pares de fotões através do processo espontâneo de FWM no interior de guias de onda com suceptibilidade elétrica de terceira ordem. Descrevemos a geração de pares de fotões em meios com elevado coeficiente de absorção, e identificamos regimes ótimos para o rácio contagens coincidentes/acidentais (CAR) e para a desigualdade de Clauser, Horne, Shimony, and Holt (CHSH), para o qual o compromisso entre perda do guia de onda e não-linearidades maximiza esses parâmetros.

The quantum communications apply fundamental laws of quantum physics to encode, transmit, store and process information. The most successful and important application is the quantum key distribution (QKD). The QKD systems are supported by technologies capable of processing single photons. In this thesis we analyze the generation, transmission and detection of single and entangled photons in optical fibers. We propose a single photon source based on the classical four-wave mixing (FWM) process in optical fibers in a low power regime. We implement that source in the laboratory, and we develop a theoretical model able to correctly describe the process of generation of single photons. That theoretical model takes into account the role of fiber nonlinearities and polarization effects on the generation of the photons through the FWM process. We analyze the statistics of the photon source based on the classical FWM process in optical fibers. We derive a theoretical model capable of describe the statistics of that photon source. We show that the photon source statistics goes from a thermal one in a low power regime to a Poissonian in a moderate power regime. We validate experimentally the theoretical results, using avalanche photo-detectors, the maximumlikelihood estimation method and the expectation-maximization algorithm. We study the spontaneous FWM process as a source of heralded single photons. We analyze the source statistics in terms of the conditional second-order coherence function, considering the impact of Raman scattering on the generation of the photon-pairs, and the loss during the evolution of the photon through a standard single mode fiber (SSMF). We identify appropriate regimes where that source is almost ideal. Optical fiber-based sources of photon-pairs provide a practical solution to the coupling problem that arises when the photon-pairs are obtained outside of the fiber. We explore the generation of photon-pairs through spontaneous FWM inside of waveguides with third-order electrical susceptibility. We describe the generation of the photon-pairs in a medium with non-negligible linear absorption coefficient, and we identified appropriates regimes for the coincidence-to-accidental ratio (CAR) and the CHSH inequality, for which the trade-off between waveguide losses and nonlinearities maximizes that parameters.