Sdílení kvantového klíče s klasickými a kvantovými stavy světla

Bc. Jiří FADRNÝ

Master's thesis

Quantum key distribution using classical and non-classical light

Abstract:

The goal of the Thesis is to develop a quantum cryptographic system based on the weak coherent states with the decoy-state technique. The intensity of the decoy states differs from the intensity of signal states, which allows secure key distribution with imperfect light sources over the long attenuating channel and prevents the photon-number-splitting attack. An experimental implementation of the polarization encoded decoy-state BB84 protocol has been designed. The states prepared by Alice are generated with vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs), which are driven with a custom-made pulse box based on the microcontroller. The pulse box generates the signal and the decoy states at the maximal repetition rate around 19 MHz. I have also developed the software toolbox for the data analysis and estimation of the minimal secure key rate. The maximal channel attenuation which allows secure communication was estimated over 27 dB, which equals the distance in the standard telecommunication optical fiber of around 11.3 km at the wavelength of 850 nm and almost 130 km at the wavelength of 1550 nm. Moreover, I have studied the device-independent modification of E91 quantum cryptographic protocol, which provides more reliable security than prepare-and-measure QKD as it allows us to relax some assumptions that are usually made about the measurement devices of Alice and Bob. Two measured density matrices that describe the entangled Bell's states generated by the source of entangled photon pairs based on the spontaneous parametric down-conversion have been analyzed. The first high-quality entangled state would be suitable for QKD and can provide the secure key rate at least 0.92 bits/pair. However, the poor quality of the second state does not allow secure QKD

Abstract:

Cílem práce je vývoj kvantového kryptografického systému založeného na slabých koherentních stavech s diskrétním polarizačním kódováním. Navrhl jsem a implementoval polarizačně kódovaný protokol s tzv. decoy stavy, který umožňuje bezpečnou komunikaci po dlouhých kvantových linkách s vysokým útlumem a zároveň je schopný předcházet tzv. photon-number splitting útoku. Během práce jsem testoval různé VCSEL zdroje světla. Experimentální systém je řízen generátorem pulsů na bázi mikrokontroleru, který je schopný generovat pulzy s frekvencí okolo 19 MHz. Vyvinul jsem také program pro analýzu dat a pro odhad minimální rychlosti generace klíče. Největší možný útlum v lince, při kterém je stále možné komunikovat jsem odhadl na 27 dB, což odpovídá 11,3 km optického vlákna při vlnové délce použitého světla 850 nm nebo téměř 130 km na vlnové délce 1550 nm. Také jsem se zabýval modifikovaným protokolem E91, který umožňuje spolehlivější bezpečnou komunikaci. Za tím účelem jsem analyzoval dvě matice hustoty popisující entanglovaný stav generovaný zdrojem fotonových párů založeném na frekvenční parametrické sestupné konverzi. Nízká kvalita jedné z matic neumožňuje bezpečnou komunikaci, zatímco se stavem popsaným druhou maticí by byla možná generace bezpečného klíče s rychlostí alespoň 0,92 bitů/pár.

Keywords

Kvantová distribuce klíče, připrav a změř schéma, BB84, decoy stavy, kvantový entanglement

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 6. 2020

Thesis defence

• Supervisor: RNDr. Miroslav Ježek, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Master programme / field:
Physics / Optics and Optoelectronics