Quantum key distribution (QKD) is an application of quantum mechanics that allows two parties to communicate with perfect secrecy.Traditional QKD uses polarization of individual photons, but the development of energytime entanglement could lead to QKD protocols robust against environmental effects.The security proofs of energy-time entangled QKD rely on a violation of the Bell inequality to certify the system as secure.This thesis shows that the Bell violation can be faked in energy-time entangled QKD protocols that involve a postselection step, such as Franson-based setups.Using pulsed and phase-modulated classical light, it is possible to circumvent the Bell test which allows for a local hidden-variable model to give the same predictions as the quantum-mechanical description.We show that this attack works experimentally and also how energy-time-entangled systems can be strengthened to avoid our attack.v vi Populärvetenskaplig sammanfattningKvantkryptering är en tillämpning av kvantmekanik där fysikens lagar används för att kryptera information.Till skillnad mot klassisk kryptering, som bygger på matematiska problem som antas (men inte bevisats) vara svåra att forcera, kan kvantkryptering ge garanterad säkerhet.Inte ens en oändligt snabb dator kan kringgå hemligheter som krypterats på kvantmekanisk väg eftersom säkerheten kommer direkt från fysikens lagar.Vanligtvis bygger kvantkryptering på enstaka fotoner där polarisering bär information, men nackdelen med den metoden är att polarisering är relativt känslig för störningar.Därför har det på senare tid kommit en ny metod, energi-tidssnärjning, som antas vara mer robust och därmed kan vara mer lämpat till att användas i stor skala.Det mest kända protokollet som bygger på denna teknik är Fransons interferometer.Detta system har utvärderats av ledande forskargrupper runt om i världen, och under många år har man trott att det kan uppnå garanterad säkerhet.Denna avhandling kommer dock visa på en inbyggd, allvarlig svaghet som gör att en tredje part kan forcera säkerheten i Fransons interferometer utan att lämna spår efter sig.Följderna är påtagliga; kvantkryptering som baseras på Fransons interferometer kan avlyssnas och måste därför byta ut den grundläggande säkerhetsmekanismen.Bells olikhet i sin ursprungliga form kan luras att certifiera ett osäkert system som säkert, och vi avslutar med att ge förslag på möjliga förbättringar.
Quantum key distribution (QKD) is an application of quantum mechanics that allows two parties to communicate with perfect secrecy.Traditional QKD uses polarization of individual photons, but the development of energytime entanglement could lead to QKD protocols robust against environmental effects.The security proofs of energy-time entangled QKD rely on a violation of the Bell inequality to certify the system as secure.This thesis shows that the Bell violation can be faked in energy-time entangled QKD protocols that involve a postselection step, such as Franson-based setups.Using pulsed and phase-modulated classical light, it is possible to circumvent the Bell test which allows for a local hidden-variable model to give the same predictions as the quantum-mechanical description.We show that this attack works experimentally and also how energy-time-entangled systems can be strengthened to avoid our attack.v vi Populärvetenskaplig sammanfattningKvantkryptering är en tillämpning av kvantmekanik där fysikens lagar används för att kryptera information.Till skillnad mot klassisk kryptering, som bygger på matematiska problem som antas (men inte bevisats) vara svåra att forcera, kan kvantkryptering ge garanterad säkerhet.Inte ens en oändligt snabb dator kan kringgå hemligheter som krypterats på kvantmekanisk väg eftersom säkerheten kommer direkt från fysikens lagar.Vanligtvis bygger kvantkryptering på enstaka fotoner där polarisering bär information, men nackdelen med den metoden är att polarisering är relativt känslig för störningar.Därför har det på senare tid kommit en ny metod, energi-tidssnärjning, som antas vara mer robust och därmed kan vara mer lämpat till att användas i stor skala.Det mest kända protokollet som bygger på denna teknik är Fransons interferometer.Detta system har utvärderats av ledande forskargrupper runt om i världen, och under många år har man trott att det kan uppnå garanterad säkerhet.Denna avhandling kommer dock visa på en inbyggd, allvarlig svaghet som gör att en tredje part kan forcera säkerheten i Fransons interferometer utan att lämna spår efter sig.Följderna är påtagliga; kvantkryptering som baseras på Fransons interferometer kan avlyssnas och måste därför byta ut den grundläggande säkerhetsmekanismen.Bells olikhet i sin ursprungliga form kan luras att certifiera ett osäkert system som säkert, och vi avslutar med att ge förslag på möjliga förbättringar.
Photonic systems based on energy-time entanglement have been proposed to test local realism using the Bell inequality. A violation of this inequality normally also certifies security of device-independent quantum key distribution (QKD) so that an attacker cannot eavesdrop or control the system. We show how this security test can be circumvented in energy-time entangled systems when using standard avalanche photodetectors, allowing an attacker to compromise the system without leaving a trace. We reach Bell values up to 3.63 at 97.6% faked detector efficiency using tailored pulses of classical light, which exceeds even the quantum prediction. This is the first demonstration of a violation-faking source that gives both tunable violation and high faked detector efficiency. The implications are severe: the standard Clauser-Horne-Shimony-Holt inequality cannot be used to show device-independent security for energy-time entanglement setups based on Franson's configuration. However, device-independent security can be reestablished, and we conclude by listing a number of improved tests and experimental setups that would protect against all current and future attacks of this type.
Quantum Key Distribution (QKD) provides a form of secure communication against quantum computing attacks. Many QKD protocols require a source of entangled photons, which uses the arrival time of the photon to encode qubit information. These entangled photons are ideally produced on-chip to improve scalability. Atpresent, majority of on-chip entangled photons are produced and measured on the same chip, which does not reflect actual QKD systems that send each half of entangled photon pairs to different experimental nodes for measurement. Therefore, this project focus on the characterisation and system modelling of a chip-to-chipsource of entangled photons. The source is time-bin encoded, which uses the arrival time of photons to encode qubit information, and takes place on thin-film lithiumniobate (TFLN) integrated photonics chips. Light pulses (pump pulses) with a time separation of 220 ps per cycle, are coupled into a TFLN chip, and pass through aperiodically poled lithium niobate (PPLN) waveguide. They exit the waveguide as entangled photon pairs. One half of each pair is then sent to a Franson interferometer on the same chip, while the other half is sent to a separate TFLN chip with an identical interferometer. By measuring the outputs of the two interferometers,we can determine if the correlations between the photons are classical or quantum, by testing for the violation of the Clauser–Horne–Shimony–Holt (CHSH) inequality.We tuned the experimental system to balance amplitudes of all states, but slight imbalances still existed. We extracted the amplitude parameters from the experimental system, then finally modelled the experimental system along with an ideal system with perfectly balanced amplitudes. If µ is the mean number of quantumentangled pairs formed by spontaneous parametric down-conversion (SPDC) per in coming pulse into the PPLN, then for the simulated experimental system, we wereable to simulate entanglement for a µ up to 0.09, and for the perfectly balanced ideal system, we simulated entanglement up to a µ of 0.19. Thus we conclude that entanglement was hypothetically proven in the system model, although improvements can still be made.
This doctoral thesis summarizes research in quantum cryptography done at the Department of Electronics and Telecommunications at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU) from 1998 through 2007.\n\nThe opening parts contain a brief introduction into quantum cryptography as well as an overview of all existing single photon detection techniques for visible and near infrared light. Then, our implementation of a fiber optic quantum key distribution (QKD) system is described. We employ a one-way phase coding scheme with a 1310 nm attenuated laser source and a polarization-maintaining Mach-Zehnder interferometer. A feature of our scheme is that it tracks phase drift in the interferometer at the single photon level instead of employing hardware phase control measures. An optimal phase tracking algorithm has been developed, implemented and tested. Phase tracking accuracy of +-10 degrees is achieved when approximately 200 photon counts are collected in each cycle of adjustment. Another feature of our QKD system is that it uses a single photon detector based on a germanium avalanche photodiode gated at 20 MHz. To make possible this relatively high gating rate, we have developed, implemented and tested an afterpulse blocking technique, when a number of gating pulses is blocked after each registered avalanche. This technique allows to increase the key generation rate nearly proportionally to the increase of the gating rate. QKD has been demonstrated in the laboratory setting with only a very limited success: by the time of the thesis completion we had malfunctioning components in the setup, and the quantum bit error rate remained unstable with its lowest registered value of about 4%.\n\nMore than half of the thesis is devoted to various security aspects of QKD. We have studied several attacks that exploit component imperfections and loopholes in optical schemes. In a large pulse attack, settings of modulators inside Alice's and Bob's setups are read out by external interrogating light pulses, without interacting with quantum states and without raising security alarms. An external measurement of phase shift at Alice's phase modulator in our setup has been demonstrated experimentally. In a faked states attack, Eve intercepts Alice's qubits and then utilizes various optical imperfections in Bob's scheme to construct and resend light pulses in such a way that Bob does not distinguish his detection results from normal, whereas they give Bob the basis and bit value chosen at Eve's discretion. Construction of such faked states using several different imperfections is discussed. Also, we sketch a practical workflow of breaking into a running quantum cryptolink for the two abovementioned classes of attacks. A special attention is paid to a common imperfection when sensitivity of Bob's two detectors relative to one another can be controlled by Eve via an external parameter, for example via the timing of the incoming pulse. This imperfection is illustrated by measurements on two different single photon detectors. Quantitative results for a faked states attack on the Bennett-Brassard 1984 (BB84) and the Scarani-Acin-Ribordy-Gisin 2004 (SARG04) protocols using this imperfection are obtained. It is shown how faked states can in principle be constructed for quantum cryptosystems that use a phase-time encoding, the differential phase shift keying (DPSK) and the Ekert protocols. Furthermore we have attempted to integrate this imperfection of detectors into the general security proof for the BB84 protocol. For all attacks, their applicability to and implications for various known QKD schemes are considered, and countermeasures against the attacks are proposed.\n\nThe thesis incorporates published papers [J. Mod. Opt. 48, 2023 (2001)], [Appl. Opt. 43, 4385 (2004)], [J. Mod. Opt. 52, 691 (2005)], [Phys. Rev. A 74, 022313 (2006)], and [quant-ph/0702262].
Abstract. We have developed a scheme to generate, control, transmit and measure entangled photonic qutrits (two photons each of dimension d = 3). A Bell test of this source has previously been reported elsewhere [1], therefore, here we focus on how the control of the system is realized. Motivated by these results, we outline how the scheme can be used for two specific quantum protocols, namely key distribution and coin tossing and discuss some of their advantages and disadvantages. Performing quantum communication with high-dimensional systems would appear to be an obvious and straightforward extension to many of the qubit protocols that have driven quantum information science in recent years. There have been theoretical proposals for Quantum Key Distribution (QKD) [2] with greater security [3] as well as specific proposals for qutrits such as quantum coin tossing [4]. Fundamentally, high-dimensional Bell inequalities have revealed greater violations of non-locality [5] while increasing the dimensions of the entangled systems has been shown to facilitate closing the detection loop-hole [6] for such tests. Optics has been able to provide a realistic test-bed for these proposals with several different schemes being realized for generating high-dimensional entanglement [7, 8] as well as the scheme presented here [1, 9]. This source of entangled qutrits is analogous to the energy-time qubit arrangement of Franson [10]. The experimental scheme has been developed for telecom wavelengths and with proven long distance quantum communication architecture [11, 12] to optimise the usefulness of this high dimensional entanglement resource. We have already performed
Franson interferometers are increasingly being proposed as a means of securing high-dimensional energy–time entanglement-based quantum key distribution (QKD) systems. Heuristic arguments have been proposed that purport to demonstrate the security of these schemes. We show, however, that such systems are vulnerable to attacks that localize the photons to several temporally separate locations. This demonstrates that a single pair of Franson interferometers is not a practical approach to securing high-dimensional energy–time entanglement-based QKD. This observation leads us to investigate the security of modified Franson-based-protocols, where Alice and Bob have two or more Franson interferometers. We show that such setups can improve the sensitivity against attacks that localize the photons to multiple temporal locations. While our results do not constitute a full security proof, they do show that a single pair of Franson interferometers is not secure and that multiple such interferometers could be a promising candidate for experimentally realizable high-dimensional QKD.
Inom fältet kvantinformation behandlar man information med hjälp av så kallade kvantmekaniska system, vilket tillför både möjligheter och svårigheter i reella tillämpningar. Ett fundamentalt begrepp är den så kallade kvantbiten, eller qubit som den brukar omnämnas i engelsk litteratur, vilken är den grundläggande komponenten i vilken kvantinformation hanteras, som en direkt analog till biten i en klassisk dator. En klassisk bit har möjligheten att anta värdet ett eller noll, medan en kvantbit dessutom har möjligheten att anta båda dessa värden på en och samma gång i en godtycklig proportion, vilket framstår som obegripligt i förhållande till den klassiska värld som vi upplever. Denna egenskap erbjuder möjligheten att behandla information på ett fundamentallt annorlunda sätt än vad vi är vana vid. Exempel på tillämpningar är kvantdatorer och kvantkryptografi. Kvantdatorer kan utnyttjas för att lösa problem som för klassiska datorer är helt olösbara inom rimlig tid (t.ex. faktorisering av stora tal). Med kvantkryptografins hjälp kan vi dessutom skapa kommunikationskanaler som erbjuder i det närmaste fullständig säkerhet mot intrång vad gäller avlyssning. Denna rapporten har behandlat så kallade optiska kvantminnen, vilka har till syfte att lagra kvantinformation i form av fotoner, dvs. ljuspartiklar. Utförandet består av att en inkommande foton som innehåller en viss kvantbit, absorberas i ett medium och överför kvantinformationen till exciterade elektroner i lagrade joner av typen sällsynta jordartsmetaller. Kvantbiten ska sedan kunna återskapas genom att en ny foton sänds ut från jonerna, med ett identiskt kvantillstånd jämfört med den ursprungliga fotonen. I denna avhandling behandlar vi en viss typ av minnen där de olika specifika jonerna endast absorberar fotoner nära en viss motsvarande frekvens eller energi. På det stora hela ter sig detta i att vi får en fördelning när vi tittar på absorptionen som en funktion av frekvensen, vilket vi benämner som absorptionsspektrumet. Genom olika tekniker är det möjligt att i detalj utforma denna fördelning, vilket är avgörande för hur effektivt det optiska kvantmimmet i slutändan blir. Genom att dessutom omgärda det absorberande mediumet med två delvis genomskinliga speglar, är det möjligt att ytterligare förbättra prestandan på minnet (en kavitet har introducerats). Denna typ är under utveckling i Lund, och har redan i experiment visat hög potential. Detta komplement tillför dock ytterligare problem i den mån att speglarna döljer absorptionsspektrumet för den utsomstående observatören, till följd att vi förlorar kontroll över minnet och därmed inte kan uppnå minnets fulla kapacitet. Denna rapport har därför utvecklat en metod eller algoritm med syftet att lösa detta problem. Lösningen ter sig som så att genom att jämföra det elektriska fältet av en inkommande och reflekterad ljuspuls med hjälp av en algoritm, är det möjligt att indirekt klargöra utseendet på det i kaviteten existerande absorptionsspektrumet. I rapporten utveklades också en simulator med syftet att simulera det elektriska fältet inuti kaviteten, så att den utvecklade metoden kunde testas på den resulterande utdatan. Resultaten kunde bedömas som lovande då avvikelsen mellan det riktiga och det beräknade absorptionsspetrumet kunde sägas vara låg i de fall som undersöktes.