Electro-optic polarization control techniques for quantum technologies

Abstract

The amount of sensible information, ranging from personal, financial or health data to commercial or governmental secrets, that is transmitted through the Internet has shown exponential growth over the past few years. This growth increased the need for highly secure encryption systems, namely at the physical layer. Quantum key distribution (QKD) has been proposed as a viable and promising solution to keep transmitted data safe, with its security relying on the implementation of cryptographic protocols involving the principles of quantum mechanics. This dissertation focuses on the study of electro-optic polarization monitoring and control techniques to be applied in quantum technologies, namely in polarization encoding QKD systems. Initially, the random polarization drift present in optical fiber links was modeled and experimentally characterized. The experimental characterization encompassed both laboratory and field measurements, with the latter being carried out in two different sites: an optical loop in the city of Aveiro (with a total fiber length of 6.6 km), and an optical link in the city of Lisbon (with a fiber length of 3.1 km). The results showed a higher polarization drift for the laboratory measurements than for the field measurements. After, an algorithm for the automatic and deterministic state of polarization (SOP) generation with direct application in polarization-encoded QKD systems was proposed and validated. The proposed SOP generation algorithm uses an electronic polarization controller (EPC), whose active elements entail the concatenation of several fiber-squeezing-based waveplates. To support the initial algorithm assessment, a full characterization of the waveplates was carried out. After, the effectiveness of the proposed algorithm was experimentally assessed in a polarization-encoded QKD testbed. An Arduino Due was used to control the different waveplates of the EPC through the estimation of the quantum bit error rate (QBER) of the system. The QBER was measured for periods of 4 hours and 10 hours when generating two and four SOPs, respectively, with an overall average QBER of 2%. Results show the potential of the proposed method regarding the generation of automatic and deterministic SOPs, thus demonstrating viability for its practical implementation in polarization-encoding QKD systems.

A quantidade de informação sensível, desde informação pessoal, financeira, ou médica, até segredos comerciais ou governamentais, que é transmitida através da internet teve um crescimento exponencial nos últimos anos. Este crescimento veio reforçar a necessidade de termos sistemas de encriptação de dados altamente seguros, nomeadamente na camada física dos sistemas. A distribuição de chaves quântica (QKD) foi proposta como solução viável e promissora para manter a segurança dos dados transmitidos, sendo que a segurança de sistemas QKD se deve à implementação de protocolos criptográficos baseados nos princípios da mecânica quântica. Esta dissertação foca-se no estudo de técnicas de monitorização e controlo eletro ótico da polarização para ser aplicado em tecnologias quânticas, nomeadamente em sistemas QKD com codificação na polarização. Inicialmente, as flutuações aleatórias da polarização presentes em links de fibras óticas foram modeladas e caracterizadas experimentalmente. A caracterização experimental incorporou medições no laboratório e em campo. As medições em campo foram realizadas em duas localidades diferentes: um anel de fibra ótica na cidade de Aveiro (com um comprimento total de 6.6 km), e um link ótico na cidade de Lisboa (com um comprimento de 3.1 km). Os resultados mostraram que as flutuações da polarização são mais elevadas para as medições feitas em laboratório do que as feitas em campo. De seguida, um algoritmo para a geração automática e determinística de estados de polarização (SOP), com aplicação direta em sistemas QKD com codificação na polarização, foi proposto e validado. O algoritmo de geração de SOPs proposto usa um controlador eletrónico de polarização (EPC), cujos elementos ativos consistem numa concatenação de várias lâminas de atraso baseadas na aplicação de pressão na fibra. De forma a apoiar uma avaliação inicial do algoritmo, realizou-se uma caracterização das lâminas de atraso do EPC. Por fim, a eficiência do algoritmo foi experimentalmente averiguada utilizando um sistema QKD com codificação na polarização. Um Arduino Due foi utilizado para controlar as diferentes lâminas de atraso do EPC e para realizar uma estimação da taxa de bits quânticos errados (QBER) do sistema. O QBER foi medido por períodos de 4 horas e 10 horas, respetivamente, aquando da geração de dois ou quatro SOPs. Considerando ambas as medições, obteve-se um QBER médio de 2%. Os resultados mostram o potencial do método proposto relativamente à geração automática e determinística de SOPs, assim demonstrando viabilidade para a sua implementação prática num sistema QKD com codificação na polarização.