Analysis and optimization of continuous variables quantum cryptographic systems

Abstract

Quantum information theory, combined with quantum technologies, has the capacity to fundamentally alter modern society. Particularly a ected will be public classic cryptography, whose security can be e ciently cracked by a quantum computer. Continuous Variables Quantum Key Distribution (CV-QKD) presents a solution to this, allowing for provably secure communications between di ering parties to be established by providing a communication channel that is able to detect tampering attempts, all while using largely telecom-grade components. In the past couple of years, the eld of quantum cryptography has attracted more and more investment, as systems have started to reach the market. However, research in the eld is still very active, with e orts being made to both increase the system's performance, reduce costs and close security loopholes. In this PhD work we endeavoured to do just that. We begin this work by presenting an updated security proof, taking a practical approach on how the security limits may be computed numerically. We propose a novel pilot-aided, Locally generated Local Oscillator (LLO) system employing a polarization diverse heterodyne receiver. Our proposed system recovers from polarization drift exclusively through Digital Signal Processing (DSP), a choice which makes our solution experimentally simple and nancially accessible. We establish the security of our proposed system and test its resilience in a high polarization drift scenario, forced by using an electronic State of Polarization (SOP) scrambler, with the system being capable of functioning under those conditions unattended for long periods of time and being capable of generating secure keys in the asymptotic regime. We also deploy our system in a eld implementation, the rst eld trial of such a CV-QKD system in Portugal. We then proceed to explore methods for improving the performance of our previously proposed system, rst by changing from the 8-PSK constellation used previously to a 128-Amplitude and Phase Shift Keying (APSK) one. Assuming the same functioning parameters, we are able to increase performance by an order of magnitude, almost quadruple the excess noise resistance, more than triple the number of photons per symbol that can be used and reduce the number of samples necessary for functioning in the nite-size regime by 95%. We also explore methods for improving system performance by reducing the weight of the DSP. Finally, we study the impact of device imperfections on the performance and security of CV-QKD. We show that transmitter device imperfections can cause the secure key rate to be underestimated by up to 100% and that receiver device imperfections may cause secure key rate may be overestimated by 44%. Our results contribute to the advance of knowledge in the eld of CV-QKD by both improving performance, reducing costs of implementation and exploring the impact of real-word device imperfections on the theoretically derived security.

A teoria da informação quântica, aliada à tecnologia quântica, tem a capacidade de alterar fundamentalmente a sociedade moderna. A criptografia clássica será particularmente afetada, devido à sua segurança poder ser eficientemente quebrada por um computador quântico. A distribuição de chave quântica com variáveis continuas (CV-QKD) apresenta uma solução a isto, permitindo estabelecer comunicações seguras entre intervenientes ao fornecer um canal que é capaz de detetar tentativas de interseção de informação, isto enquanto utiliza maioritariamente componentes atualmente usados em comunicações clássicas. Nos últimos anos, o ramo da criptografia quântica tem atrasado uma quantidade crescente de investimento, com a chegada ao mercado dos primeiros sistemas comerciais. Contudo, a investigação na área ainda esta muito ativa, com esforços a ser feitos para aumentar a performance, reduzir custos e fechar brechas de segurança. Nesta tese de doutoramento tentamos fazer exatamente isso. Nos começámos este trabalho por apresentar uma prova de segurança atualizada, aproximando o problema de uma forma prática e mostrando como os limites de segurança podem ser calculados numericamente. Propomos um sistema inovador utilizando um oscilador local gerado localmente para fazer deteção heteródina com diversidade na polarização com o auxílio de um sinal piloto. O nosso sistema proposto recupera de desvios de polarização exclusivamente pelo uso de processamento digital de sinal (DSP), uma escolha que torna a nossa solução experimentalmente simples e económica. Nós estabelecemos os limites de segurança do nosso sistema e testamos a sua resiliência, forçando um elevado desvio de polarização com um misturador de polarização eletrónico, com o sistema a ser capaz de funcionar nessas condições sem supervisão durante longos períodos de tempo e de gerar chaves seguras, no regime assimptótico. Também testamos o nosso sistema numa experiência de campo, a primeira de um sistema de CV-QKD em Portugal. De seguida procedemos a uma exploração de métodos para melhorar a performance do nosso sistema, começando por trocar a constelação de 1 nível de amplitude com 8 estados para uma de 128 estados com múltiplos níveis de amplitude. Assumindo os mesmos parâmetros de funcionamento, foi possível aumentar a performance do sistema por uma ordem de magnitude, quadruplicar a resistência a ruído em excesso, triplicar o número médio de fotões por símbolo e reduzir em 95% o número de amostras necessárias para funcionar o sistema em regime finito. Também explorámos métodos para melhorar a performance do sistema reduzindo o peso do DSP. Finalmente, estudámos o impacto que dispositivos imperfeitos têm na performance e segurança de sistemas de CV-QKD. Mostrámos que imperfeições nos dispositivos do transmissor podem causar com que o ritmo de chave seja reduzido em 100% e que imperfeições no recetor podem fazer com que o ritmo de chave seja sobrestimado por 44%. Os nossos resultados contribuem para o avanço do conhecimento na área dos sistemas distribuição de chave quântica ao melhorar a performance, reduzir os custos de implementação e explorar o impacto das imperfeições dos dispositivos realistas na prova de segurança teórica.