Quantum communications with continuous variables

Abstract

Nesta dissertação é estudado um sistema de distribuição de chave quântica com variáveis continuas (CV-QKD) com oscilador local gerado localmente (LLO), utilizando modulação discreta e sem alteração aleatória da base de medição. Num sistema LLO não é necessário o envio de impulsos de alta intensidade multiplexados em polarização com os impulsos de sinal de baixa intensidade. Esta técnica simplícia o sistema experimental e resolve alguns problemas de segurança associados ao sistema de oscilador local co propagante. Para a compensação da diferença de fase entre os lasers de sinal e oscilador local foram enviados impulsos de referência, contendo informação da fase instantânea do laser de sinal, multiplexados no tempo com os impulsos de sinal modulados na fase. Neste trabalho foram desenvolvidos vários blocos numéricos capazes de testar a performance de um sistema de CV-QKD com recurso a uma plataforma de simulação em desenvolvimento no IT-Aveiro. São apresentados resultados referentes à caracterização do ruído de um detetor homodino, nomeadamente o ruído térmico e \shot noise". Mais ainda, utilizando a plataforma De simulação verificamos que a taxa de chave secreta expectável decresce rapidamente com a distancia. Em ambos os casos, os resultados da simulação seguem de perto os resultados teóricos expectáveis. Foi implementado no laboratório um sistema LLO-CV-QKD e a sua performance foi avaliada. Resultados de um sistema com laser único e laser duplo são apresentados. Este sistema utilizava impulsos de sinal com um número médio de fotões por símbolo igual a 1. O esquema de compensação de fase foi desenvolvido e descrito nesta tese. Resultados referentes _a caracterização de ruído do sistema de deteção utilizado são apresentados neste documento, verificando-se que a região linear compreende-se entre 2x10 6 ≤ (n) ≤ 4x10 6 fotões/impulso. O ritmo de geração de chave secreta contra ataques individuais e coletivos do sistema experimental de CV-QKD foi avaliado. Ritmos positivos foram observados contra ataques individuais no sistema de laser único, tanto para um sistema de ligação direta como para um sistema com um canal quântico de 10 km de fibra ótica, tendo valores de Kind = 0:14 bits/símbolo e Kind = 0:014 bits/símbolo, respetivamente. Para o sistema de laser duplo nenhum ritmo de geração de chave secreta positivo foi observado, verificou-se que isto se deveu ao excesso de ruído introduzido pelos componentes óticos deste último esquema.

Quantum Key Distribution, Continuous Variables, Locally generated Local Oscillator, security proof abstract In this thesis a pilot-aided Locally generated Local Oscillator (LLO) Continuous Variables Quantum Key Distribution (CV-QKD) system with discrete modulation and without random basis switching at the detection stage is studied. In a LLO system there is no need to send a high intensity reference pulse, polarization multiplexed with the low intensity signal pulse. This technique also simpli es the experimental setup and solves some security risks linked to the co-propagating local oscillator scheme. To compensate for the phase di erence between the signal and local oscillator lasers, reference pulses, carrying only the signal laser current phase, were sent timemultiplexed with the phase modulated signal pulses. In this work multiple numerical blocks capable of testing the performance of a CV-QKD system were developed with resort to a novel simulation platform under development at IT-Aveiro. Results pertaining to the noise characterization of a homodyne detector, namely thermal and shot noise, are presented. Furthermore, utilizing the simulation platform we veri ed how the expected secret key rate decreases rapidly with the transmission distance. The results obtained from these simulations closely follow the expected theoretical values. A LLO-CV-QKD system was implemented in the laboratory and its performance was evaluated. Results from both a single laser and double laser setup are presented. This system utilized signal pulses with an average photon number per symbol equal to 1. The phase di erence compensation scheme is developed and described in this document. Results pertaining to the system's noise characterization are presented in this document, the linear region was determined to be between 2x10 6 ≤ (n) ≤ 4x10 6 photons/ pulse. The secret key generation rate against individual and collective attacks of the experimental CV-QKD system was evaluated. Positive secure key rates against individual attacks were obtained in both Back to Back and 10 km optical bre quantum channel schemes for the single laser setup, taking the values of Kind = 0:14 bits/symbol and Kind = 0:014 bits/symbol, respectively. For the double laser setup no positive secret key rate was obtained, this was determined to be caused by the excess noise introduced by the optical components in this later scheme.